Fragen und Antworten

33.In der Rohrleitung befindet sich keine unbewegliche Gasmenge, sondern sie wird, um das Gas zu transportieren, durchströmt. Dabei treten Verluste durch Reibung an den Rohrwänden und Turbulenzen im Gas auf. Die Strömungsgeschwindigkeit wird mit zunehmendem Abstand von der Verdichterstation geringer; das Gas muss immer wieder neu verdichtet werden.

34.Die Stoffumsetzungen und Kristallbildungen auf dem Mond sind nicht sehr mannigfaltig, da Wasser und eine Lufthülle fehlen. Mit zuneh-

menden Kenntnissen über die anderen planetaren Körper des Sonnensystems wird sich daher immer mehr zeigen, welch ungewöhnlich reicher und interessanter

Planet unsere Erde ist – auch in kristallographischer Hinsicht.

35.In den Polargebieten ist der Einfallswinkel der solaren Photonen besonders klein, ihr Weg durch die Erdatmosphäre also besonders lang. Ihre Chance, auf ein Kohlendioxidmolekül zu stoßen, ist folglich ihrer verlängerten Wegstrecke entsprechend größer.

36.Wissenschaftliche Untersuchungen ergaben, dass der Rei-

bungswiderstand an den Händen (nicht am Material) durch eine kleine Menge von Flüssigkeit erhöht wird. Derjenige, der sich in die Hände spuckt, bevor er gewisse Handgriffe ausübt, handelt also zweckmäßig, da ein Entgleiten des Werkzeuges hierdurch erschwert wird.

37.Die Gegenstände im Inneren des Satelliten sind schwerelos, weil sich der Satellit und die Körper mit der Fallbeschleunigung bewegen.

38.Die Kolben eines Verbrennungsmotors sind erheblich größeren Temperatur – Differenzen ausgesetzt als andere Kolben. Sie können deshalb nicht so genau eingepasst werden. Zum Abdichten werden daher Kolbenringe angebracht.

39.Beim tiefen Stand der Sonne muss das Sonnenlicht eine sehr dicke Luftschicht durchqueren. Diese Schicht enthält, da sie der Erde dicht anliegt, besonders viele kleinste Staubteilchen und Wassertröpfchen. Deshalb gelangt vorwiegend langwelliges rotes Licht an unser Auge, während die kurzwelligen Anteile infolge Beugung und Zerstreu– ung abgelenkt werden.

40.Da im Zustand der Gewichtslosigkeit keine wesentliche Wärmeströmung vorhanden ist – infolge fehlenden Auftriebs – kann eine normale Temperatur über alle Bereiche des Raumschiffes sonst nicht aufrechterhalten werden.

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41.Benzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen. Kohlenstoff und Wasserstoff oxidieren und liefern bei diesem Vorgang Energie. Im Alkohol ist zusätzlich Sauerstoff vorhanden, der das Volumen vergrößert, ohne bei der Verbrennung einen Energiebeitrag zu liefern.

42.Das Geschirrspülmittel verringert die Oberflächenspannung erheblich, so dass der Gegenstand benetzt wird und untergeht. – Darauf beruht ja auch der Reinigungseffekt dieser nützlichen Haushaltschemikalien.

43.Das Quellwasser der Flüsse ist kein reines Wasser im Sinne der Formel H2O. Es enthält neben vielen anderen Mineralien (z.B. Eisen, Schwefel, Radium) stets auch einen hohen Anteil verschiedener Salze, darunter auch reines Natriumchlorid (Kochsalz). Da eine Rückführung der Salze in die Quellgebiete nicht möglich ist, sammeln sich diese in den Meeren. Der bittere Geschmack des Meereswassers ist den Magnesiumsalzen zuzuschreiben.

44.Der Drehpunkt des Wetterhahnes ist so angeordnet, dass

das Vorderteil – also der Kopf des Hahnes – leichter als das Hinterteil ist. Aus diesem Grund schaut der Wetterhahn immer in die Richtung, aus der der Wind kommt.

45. Der Mond bewegt sich auf einer elliptischen Bahn um die Erde. Dabei rotiert er mit konstanter Geschwindigkeit um seine Achse. Seine Bewegung auf der Bahnellipse ist jedoch

ungleichförmig. Durch die Kopplung beider Bewegungen hat der Mond einmal einen Vorlauf in seiner Rotation, das andere Mal „hinkt“ es hinterher. So kann man einmal mehr von seinem „Ostrand“, ein anderes Mal mehr von seinem „Westrand“ überblicken. In der Summe ergibt dies während eines Mondumlaufs in einem Monat mehr als 50 Prozent.

46. Der Verbund von Stahl und Beton in so genannten Stahlkonstruktionen (z. B: bei Decken und Stützen) ist nur deshalb

möglich, weil Stahl und Beton den gleichen Längenausdehnungskoeffizienten besitzen. Das heißt, beide Materialien dehnen sich bei gleicher Änderung der Temperatur gleich stark aus. Wäre das nicht der Fall, dann

würden Spannungen auftreten, die zur Zerstörung der Bauteile führen könnten.

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47.Diese Tränen sind für die Krokodile lebensnotwendig. Denn ihr Organismus befreit sich auf diese Weise von den überschüssigen Salzen, die mit dem Wasser und der Nahrung aufgenommen wurden.

48.Viele Leichtmetalle, so auch das Magnesium, sind vorzügliche Reduktionsmittel. Das Magnesium entzieht dem Wasser den Sauerstoff unter Bildung von Magnesiumoxid. Der sich dabei bildende Wasserstoff verbrennt nun zusätzlich mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser; daher erst einmal die Vergrößerung der Flamme. – Aus diesem Grund darf man Leichtmetallbrände niemals mit Wasser oder Kohlensäure – Schnee löschen.

49.Die Tatsache, dass die meisten Menschen Rechtshänder sind, hat weltweit dazu geführt, handelsübliche Schrauben mit einem Rechtsgewinde zu versehen.

50.Durch die ständige und schon seit Bestehen der Erde andauernde Selektion hat die Natur für jedes von ihr geschaffene Produkt und deren Hauptzweck das günstigste Konstruktionsprinzip ausgewählt. Für auf Biegung und Drehung beanspruchte „Bauteile“ in Flora und Fauna hat sich die Röhre als optimal erwiesen. So besitzt ein Rohrprofil etwa die 500fache Festigkeit gegenüber einem U-Profil.

51.Die Ursache für diese Erscheinung ist: Die durch unseren Körper erwärmte und bei Windstille lange Zeit von der Bekleidung „festgehaltene“ uns umgebende Luft wird durch den Wind ständig fort geblasen und durch kühlere ersetzt.

52.Das Mitführen von flüssigen Treibstoffen hatte zur

Folge, dass sich während der Fahrt eines Luftschiffes sein Auftrieb in dem Maße erhöhte, wie es durch den Treibstoffverbrauch leichter wurde. Der höhere Auftrieb musste durch Betätigen des Höhenruders (Geschwindigkeitsverlust) oder durch Ablassen von Auftriebsgas (Gasverlust) kompensiert werden. Ein Antriebsgas machte das mit der Dichte von Luft überflüssig.

53. Die Farbe der Lösung ist abhängig von der Zusammensetzung des Lösungsmittels. Als Faustregel gilt: Alle Lösungsmittel mit Sauerstoff in der Formel lösen mit brauner, alle anderen mit violetter Farbe.

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ANTWORTEN auf die FRAGE „WIE?“

54.Wirft ein Kosmonaut ein Werkzeug weg – erteilt er ihm also einen von der Orbitalstation weggerichteten Impuls – so erhält er selbst einen Impuls in Richtung Orbitalstation. Er kommt somit ohne Hilfe der übrigen Besatzung wieder zur Raumstation zurück.

55.Taucht man ein Thermometer plötzlich in eine heiße Flüssigkeit, so wird im ersten Moment nur das Glas des Thermometers erwärmt. Durch diese Erwärmung dehnt sich das Glasgehäuse des Thermometers aus, und die Quecksilbersäule

sinkt. Erst wenn die Temperaturdifferenz ausgeglichen ist, dehnt sich das Quecksilber in der Säule aus.

56.Ein von einer Lichtquelle kommender Strahl wird an einem Medium an der Vorderseite und, nachdem er gebrochen wurde, an der Rückseite des Mediums zu einem bestimmten Teil reflektiert. Bei Doppelfensterscheiben haben wir den Strahlenverlauf, wie er in Abb. links dargestellt wird.

57.Der Wasserspiegel sinkt ab, wenn die Schrauben ins Wasser fallen. Im Boot verdrängen die Messingschrauben eine Wassermenge, die ihrem Gewicht entspricht. Fallen sie ins Wasser, so verdrängen sie eine Wassermenge entsprechend ihrem Volumen. Da die Dichte von Messing viel größer ist, als die Dichte von Wasser, sinkt der Wasserspiegel beim Hineinfallen der Schrauben ab.

58.In dem kurz nach Siedebeginn verschlossenen Kolben befindet sich über der Wasseroberfläche fast keine Luft, sondern Wasserdampf, der kondensiert, wenn man den Kolben mit kaltem Wasser übergießt. Dadurch sinkt der Druck über der Wasseroberfläche sehr stark, ungefähr auf 0,1 at, so dass das etwa 50 Grad Celsius warme Wasser im Kolben wieder zu sieden beginnt, da die Siedetemperatur des Wassers bei einem Druck von 0,1 at ungefähr 45 Grad Celsius beträgt.

konstante) und m (Masse) konstant. Demzufolge müssten Druck und Temperatur geändert werden. Durch Erwärmung der Luft vergrößert sich bei konstanter Masse auch das Volumen. Steigt man auf einen Turm oder Berg, wird also der Druck gesenkt, so vergrößert sich ebenfalls das Volumen.

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60.Nach Definition ist der Wirkungsgrad einer Herdplatte bzw. eines Wärmeapparates

η= QQ1 , worin Q1 = cw mw (T2 −T1) +r m,

die Wärmemenge ist, die zum Erhitzen des Wassers und zur Umwandlung seiner Teilchen in Dampf benötigt wird, und Q = P t

die Energie, die von der Herdplatte verbraucht wird.

Wir setzen die Ausdrücke für Q1 und Q in die Gleichung für den Wirkungsgrad ein:

η= c w mw (T2 −T1) +r m .

P t

Durch Einsetzen der gegebenen Werte erhalten wir

4,187 103 Jkg−1K −1 2kg 80K +2,26 106 Jkg−1 0,2kg = 0,89 600W 2100s

Der Wirkungsgrad der elektrischen Herdplatte beträgt also 89 Prozent.

61.Bei hoher Lufttemperatur schwitzt der Mensch, und von der Hautoberfläche verdunstet Schweiß. Dabei wird durch Entzug von Verdampfungswärme die Körper– Temperatur herabgesetzt, eine lebensgefährliche Erhöhung der Körpertemperatur verhindert und die Haut von Brandwunden geschützt. Im warmen Wasser können dagegen keine Verdunstung und damit keine Verringerung der Hauttemperatur erfolgen. Am Körper treten Verbrühungen auf.

62.Das Wasser ergießt sich über die gesamte innere Oberfläche des Kolbens. In seiner Mitte bildet sich eine Luftblase. Quecksilber bildet in der Mitte des Kolbens einen großen kugelförmigen Tropfen. Verantwortlich dafür ist die unterschiedliche Benetzbarkeit von Gas für beide Flüssigkeiten.

63.Das Wasser benetzt das Holz und fließt unter das Brettchen. Quecksilber dagegen benetzt das Glas nicht und fließt nicht unter die Scheibe. Demzufolge entsteht kein Auftrieb.

64.Erhitztes Eisen ändert seine magnetischen Eigenschaften; es wird von einem Magneten nicht mehr angezogen. Dadurch wird der abgekühlte Draht von dem Magneten „herangezogen“, gelangt in die Flamme, wird dort „unmagnetisch“ und kühlt schließlich während der Umdrehung wieder ab.

65.Das Kristallwachstum hängt bei gleicher Konzen-

tration des zu kristallisierenden Stoffes von der Abkühlungsrate ab. Schöne, gut ausgeprägte Kristalle erhält man durch sehr langsames Abkühlen; kleine, schlecht ausgebildete bei raschem Abschrecken der Lösung oder Schmelze.

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66. Der Betrag der Arbeit wird nach der Gleichung W = Fs cosα bestimmt. Da die Arbeit von der Antriebskraft FA verrichtet wird, deren Richtung mit der Bewegungsrich-

67.Bei Verwendung von hartem Wasser lagert sich Kalkstein ab, wodurch die Wärmeleitfähigkeit stark vermindert wird. An diesen Stellen erhitzt sich die Kesselwandung sehr stark. Wenn durch eine Erschütterung oder Schwingung die Kesselsteinkruste abplatzt, kann folgende Reaktion eintreten: Eisen und Wasser reagieren zu Eisenoxid und Wasserstoff.

68.Die beiden Gläser lassen sich voneinander lösen, wenn man das untere in heißes Wasser stellt und in das obere kaltes Wasser gießt.

69.An einem Gatter stellten sich z. B. drei Viehzüchter auf. Der erste zählte mit den Fingern die vorbei getriebenen Tiere, der zweite, wie oft sein Gefährte alle zehn Finger benutzte, und der dritte tat ein gleiches beim zweiten. So konnten die drei bis 999 kommen, obwohl jeder einzelne nur bis 10 gelangte.

70.Die sich vergrößernden Gasblasen bleiben am Boden oder an den Wänden des Gefäßes hängen, da unter der Bedingung der Gewichtslosigkeit keine Auftriebskräfte wirken.

71.Die Schwalben fangen ihre Nahrung im Fluge.

Fliegen und Insekten reagieren aber auf Veränderungen des atmosphärischen Drucks viel eher als die Vögel. Tritt eine plötzliche Druckminderung ein, zwingt die „dünne Luft“ die Insekten in die dichteren, tieferen Schichten der Atmosphäre. Die auf Nahrungssuche befindlichen Schwalben folgen lediglich ihrem „Futter“.

72. Die in feuchtwarmen Räumen vorhandene Luft vermag – abhängig von der Temperatur – eine bestimmte Wassermenge aufzunehmen. Kommt die feuchtigkeits– gesättigte Warmluft in den Bereich von Metallteilen mit niedrigerer Temperatur, so scheidet sich der über dem Sättigungsgrad liegende Teil als Schwitz – bzw. Kondenswasser an den Wandungen ab.

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73.Gefühlsmäßig wirf Bernd sicher auf das Blei tippen. Aber tatsächlich ist das Gold (spezifisches Gewicht 19,29) schwerer als das Blei (11,34).

74.Bei der Herstellung der Fasern werden die langen Polymermoleküle vorzugsweise längs der Fasern orientiert. Damit kommt auch die Richtung der größten Festigkeit in die bei Fasern praktisch einzige Beanspruchungsrichtung. Beim massiven Plastwerkstoff sind die Moleküle dagegen in der Regel statistisch orientiert.

75.Um herauszufinden, aus welchem Material der Gegenstand besteht, braucht ein erfahrener Scherenschleifer nur darauf zu achten, wie beim Schleifen die Funken sprühen. Verzweigen sie sich wie die Äste an einem Baum, dann handelt es sich um Stahl. Sprühen sie aber in Feuerstrahlen, ohne sich zu verzweigen, besteht der Gegenstand aus Eisen. Ursache dieser unterschiedlichen Funkenbildung ist der Anteil des Kohlenstoffs im Metall. „Gewöhnliches“ Eisen enthält wenig davon, Stahl dagegen weitaus mehr. Je höher der Kohleanteil ist, desto weit verzweigter sprühen die Funken.

76.Auf der Erde ist die Dehnung der Feder aufgrund

der Schwerkraft sechsmal größer als auf dem Mond. Im Raumschiff dehnt sie sich nicht.

77.Es lässt sich aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten ableiten, dass der effektive Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors umso höher ist, je größer die Temperaturdifferenz der Verbrennungsgase zur Umgebungstemperatur ist. Da keramische Werkstoffe geringere Ausdehnungskoeffizienten als Metalle haben und höhere Betriebstemperaturen vertragen, gestattet der „Keramikmotor“ einen höheren Wirkungsgrad.

78.Eine Möglichkeit ist, eine helle Lampe, einen drehzahlveränderlichen Elektromotor sowie eine Papp– bzw. Plastscheibe dafür zu verwenden. Bernd schlitzt die Scheibe radial ein und befestigt sie auf der Achse des E-Motors. Er nutzt den stroboskopischen Effekt: Rotierende Körper erscheinen unbeweglich als Resultat einer intermittierenden Beleuchtung. (Diesen Effekt nutzen z. B. auch Pop-Gruppen bei ihren Lichtshows.)

79.Messing – auch als Gelbguss bekannt – ist eine Kupfer – Zinklegierung mit einem Zinkanteil zwischen 20 und 60 Prozent. Je mehr Zink im Messing enthalten ist, desto heller wird die Farbe der Legierung. Enthält das Messing mehr als 50 Prozent Zink, so ist es fast weiß.

80.Die Oxidation von Kohlenstoff zu CO2 ist ein Energie liefernder Vorgang. Dieser kann jedoch nur ungehindert ablaufen, wenn die gewonnene Energie abgeführt wird. Geschieht dies nicht, dann verschiebt sich das chemische Gleichgewicht zur Seite der Energie verbrauchenden Rückreaktion. – Wird nun von außen immer mehr Energie zugeführt,

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so können die Ausgangsstoffe nicht weiter miteinander reagieren. Der Ofen heizt nicht mehr. Er entzieht sogar der nunmehr zugeführten Energie so viel, wie zum Zersetzen des noch im Ofen enthaltenen CO2 notwendig ist. Das aber ist ein Kühlprozess.

81.Die Ursachen dieser Erscheinungen sind in der Erdrotation zu suchen. Sie ruft Kräfte hervor, die jedoch nur wirken können, wenn die betrachteten Objekte in annähernd gleicher Richtung wie die Erdachse verlaufen (Nord-Süd-Richtung). Somit wirkt das Wasser dann einseitig stärker erodierend, bzw. die Schienen nutzen sich einseitig um geringe Beträge mehr ab.

82.Die Salzmenge würde den Raum aller Kontinente über Meeresspiegel einschließlich der Erhebungen der Gebirge einnehmen.

83.Claudia spannt den Faden straff und feuchtet ihn etwas an. Bei Polyamid ändert sich die Reißfestigkeit nicht. Die Nassreißfestigkeit des Zelluloseregeneratfadens ist hingegen gering, so dass ein derartiger Faden nach dem Anfeuchten reißt.

84.In Wasser ist Ammoniak leicht löslich. Da die Oberfläche des Eisens mit Wasser behaftet ist, beginnt an dieser der Lösungsvorgang. Beim Auflösen von Ammoniak wird sehr viel Wärme freigesetzt, und zwar pro Mol (17g) rund 35,2 kJ. Die Wärme schmilzt das Eis.

85.Je reiner das Wasser ist, desto mehr Kraft wird zum Zerreißen der Wasseroberfläche benötigt. Die Moleküle der im Wasser gelösten Fremdstoffe – es handelt sich ü- berwiegend um Gase – schieben sich zwischen die Wassermoleküle und lockern dadurch ihre Verbindung. Bereits hochgradig gereinigtes Wasser besitzt eine solche Festigkeit, die der einiger Stahlsorten gleichkommt. Die maximale Festigkeit ist bei absolut reinem Wasser zu verzeichnen.

86.Die ersten Verbrennungsmotoren arbeiteten mit verhältnismäßig niedrigen Drehzahlen, die man über große Propeller als Antrieb nutzen konnte. Gleichzeitig waren die früheren Luftschrauben nur für niedrige Drehzahlen geeignet, da man sie einfach empirisch von Schiffsschrauben ableitete, ohne sich viel um die Gesetze der Aerodynamik zu scheren. Solche Propeller haben bei großen Drehzahlen einen sehr geringen Wirkungsgrad.

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87. Da die äußeren Kräfte, die auf das Boot wirken (Schwerkraft und Auftrieb), im Gleichgewicht sind und der Widerstand des Wassers vernachlässigt wird, kann das System Angler – Boot als abgeschlossen betrachtet werden. In diesem Falle ändert sich der Gesamtimpuls des Systems nicht. Da vor der Bewegung des Anglers das System ruhte, bleibt bei der Bewegung des Anglers der Impuls gleich Null.

Der Impulserhaltungssatz für das gegebene System lautet: m2v2' – m1v1 = 0. Die relative Geschwindigkeit des Anglers zum Ufer ist:

v2' = v2 – v1.

Dann ist m2 (v2 −v1 )= m1v1 oder m2 = v2 v−1 v1 m.

Die Geschwindigkeiten des Bootes und des Anglers ermittelt man nach den Formeln v1= l1/t und v2= l/t.

Setzt man in die Gleichung für m 2 die Ausdrücke v1 und v2 ein, so erhält man:

=180kg 0,75m = 60kg. 3,0m −0,75m

Der Angler ist also 60 kg schwer.

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ANTWORTEN auf die FRAGEN „WELCHE? – WELCHER? – WELCHES?“

88. Beim Verschieben des Elektrons verrichtet das elektrische Feld die Arbeit W = eU und verleiht dem Elektron die kinetische Energie Wkin = mv2 / 2. Folglich gilt:

Somit beträgt die Geschwindigkeit des Elektrons ungefähr 6 107 ms−1.

89. Im gegebenen Fall muss man die durchschnittliche Gesamtleistung ermitteln. Der Wirkungsgrad ist η= Pe / Pi daraus folgt: Pi = Pe / η.

Der Turmspringer fällt also 1,43 Sekunden lang und hat eine Auffallgeschwindigkeit von 50,4 Kilometern in der Stunde.

91. Die Nutzleistung wird aus der Formel Pe = η Pi ermittelt. Die Gesamtleistung Pi

errechnet man aus der Änderung der Energie:

Pi = ∆W / ∆t. Die Änderung der Energie ∆W ergibt sich als Differenz der Energie des Wassers beim Eintritt in die Turbine und beim Austritt aus der Turbine:

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