Stefan Haas und Stéphanie Rosa, Kantonsschule Baden

Im Frühjahr 1996 wurden wir mit einem Phänomen konfrontiert, das uns in der Folge das ganze Jahr über beschäftigensollte: Schüttelt man eine Coca-Cola Büchse vor dem Öffnen kräftig und versetzt man dann der Büchse mit einem Finger einen starken Schlag auf den Deckel, so endet dasUnternehmen mit ein bisschen Glück nicht in einem Debakel:Durch denSchlag wird das Spritzen der Büchse stark vermindert oder gar verhindert. Steckt hinter diesem Vorgang einphysikalisches Prinzip oder nur Aberglaube? Im Rahmen eines Schulprojektessind wir dieser Frage nachgegangen. Hier möchten wir weniger über dasPhänomen als solches berichten, sondern über die vielen Möglichkeiten,die uns dank moderner Informations- und Kommunikationstechnologien beidiesem Projekt offenstanden. Unser Bericht soll denn auch ein Plädoyersein für die Bereitstellung und Nutzung verschiedenster Informationsquellen in derSchule:Vom Kollegen über die Lehrerin und die Schulbibliothek bis hinzum Internet, World Wide Web, Newsgroup und Email.

Während eines Amerikaaufenthaltes lernten wir den Trickmit der Coca-Cola Büchse kennen. Unzählige Male und mit mehr oderweniger Erfolg haben wir den Trick ausprobiert. Unser Mathematiklehrer hat uns dannauf die Idee gebracht, dieser Sache genauer auf den Grund zu gehen. Und sohat für uns die spannende Entdeckungsreise begonnen. Selbstverständlich muss es nicht Coca-Cola sein, dieses "völkerverbindendeSprudelwasser" eignet sich aber aufgrund seines hohen CO2- Gehalts ganz besonders.

Konfrontiert mit der Frage, ob denn unmittelbar vor demÖffnen das Klopfen auf die Büchse einen Einfluss auf das Spritzenhat, sind wir schnell ans Ende unseres Physik-Lateins gekommen. Kurz entschlossen haben wir uns an dieFachleute gewandt:

"Beim Schütteln erhöht sich der Druck in dergeschlossenen Büchse." (Physiklehrer)

"Durch das Klopfen wird eine Flüssigkeitswelleerzeugt. Diese bewegt sich in der Büchse von oben nach unten undzurück. Wenn man beim Öffnen den richtigen Zeitpunkt erwischt, ..."(Theoretischer Physiker)

"Ich arbeite seit 20 Jahren als Flight Attendantund habe die Büchsen immer so geklopft. Da muss was dran sein."

"Das ist alles Aberglaube!" (Chemielehrer)

Einige der eingeholten Informationen haben sich schnell alsfalsch oder wenig hilfreich erwiesen. In unserer näheren Umgebung waroffensichtlich wenig Know How zu diesem Problem vorhanden. Einige mögliche Informationsquellen haben unserer Fragestellung auch nicht denrichtigen Stellenwert beigemessen und verkannt, dass die Bildung undBewegung von CO2-Blasen in Getränken (und anderswo) durchwegs ein ernsthafter Forschungsgegenstand derFluiddynamik ist (vgl. etwa N.Shafer, R.Zare:Through a beer glass darkly,Physics Today, october 1991). Was nun? Wir entschlossen uns eine Anfrage ineiner Newsgroup auf dem Internet zu plazieren:

Newsgroups:sci.physics.computational.fluid-dynamics
Subject:Spilling of softdrink cans

We are two 19 year old students at the Kantonsschule Baden in Switzerlandand plan a science project concerning the 'not spilling of shaked softdrinkaluminum cans'. As we all know, softdrink cans spill if you open them asnormal right after shaking. Now, to avoid the spilling of such a can I remember a trick I learnedin the US:We shake a softdrink aluminum can (12 oz., mostly Coca Cola) forabout a minute. Then we put it on a table, holding it with one hand and tapon the top of the can with the forefinger of the other hand. We do that only once but with quite someforce and exactly on the prefixed opening spot. Immediately after knockingon the can, we open the can with the same hand exactly the way everybodydoes...and await the result. By doing this, about 40% of the cans we tested didn't spill at all, another 40%spilled a lot less than cans we didn't knock on as well as the last 20%.This result of our experimental research leads us to a lot ofquestions:

1. What is the phenomena behind the notspilling of 'tapped' cans?

2. Why does it not always work?

3. Is there any clear physical theory thatstates this phenomena?

4. Furthermore we would like to know if youthink it would be possible to program a computer simulation of thisphenomena; stating the facts and animate the experiment?

For any information and hints we thank you already in advance!

Stefanie Rosa, Stefan Haas

Das Echo auf unsere Anfrage war enorm! Als Beispiel geben wirhier nur eine Reaktion, die uns über Email erreichte, wieder:

I have heard about this trick too. There was adifference however. The way I learned it, it was good enough to tap the canon the side. The explanation that I was offered goes something like this:Asyou shake the can, CO_2 will leave the liquid and a) bubble up and join the gases abovethe liquid, b) stick to the walls of the can as small bubbles. When the canis opened the bubbles on the walls will expand a lot and force asubstantial amount of liquid out of thecan.

By tapping the sides, the bubbles at the walls are knocked loose and canrise to the surface. The elevated pressure will not go down, but as the canis opened the pressurized gases can rush out without pushing liquid infront of itself.

...........

...........

I should add that I have never tried the trickmyself and that I would be interested in hearing about what you find outabout it.

One overly ambitious source of info:

Christopher E. Brennen. Cavitation andbubble dynamics. Oxford University Press 1995, ISBN0-19-509409-3

It deals mostly with cavitation, but talks about growth of bubbles inliquids that contain dissolved gases also. Don't buy it, taking a quicklook at it at your local library will do.

Yours

Johannes Schoeoen

dept. of Naval Architecture and Ocean Engineeringof Technology, Gothenburg,Sweden

Neben solchen ernsthaften, uns zusätzlich motivierendenReaktionen erreichten uns auch eher humorvolleHinweise wie etwa:"Ha! And best of all:If you tap on a beer before drinkingit, it won't make you drunk!" Mit den neuen Informationen undLiteraturangaben machten wir uns wieder an die Arbeit. Wiederum über Internet konnten wir den Bibliothekskatalog der ETH Zürich abfragenund uns Literatur zum Thema beschaffen, auf die wir wohl ohne die Hinweisenie gekommen wären.

ETHICS

ABFR FTWS ANZT TITV BS125D T010 02.12.96 18:09

SCHLUESSEL:

BRENNEN CAVITATION

Cavitation and bubble dynamics

/ Christopher E. Brennen

New York (etc.) :Oxford University Press, 1995

XV, 282 S. :Ill. ; 25 cm

(Oxford engineering science series ; 44)

ISBN 0-19-509409-3

Uebergeordnete Titelaufnahmen -> Anzeige ueber PF10

SIGNATUREN (=Bestell-Nr.) UND LOKALE BESTANDESANGABEN:

------------------------------------------------------

ETH-BIB 767 105

Wir wurden jetzt mit uns bislang unbekannten Fachbegriffenwie "Partialdruck" konfrontiert. Hier half uns die Schulbibliothek undprivate LIteratur des Chemielehrers weiter. Und für die Durchführung von praktischen Experimenten war uns der Physiklaborant der Schuleeine wertvolle Hilfe. In der Zwischenzeit beschlossen wir auch, einphysikalisches Modell für das Aufsteigen der CO2-Blasen aufzustellen. Ganz viele Effekte gilt es hier zuberücksichtigen:Auftrieb und Strömungswiderstand alskonkurrenzierende Kräfte, Akkumulation von CO2 inder Blase, Druckverhältnisse. Gerne hätten wir auch gewisse Parameterwerte wie etwa den CO2-Anteil in der Büchse genauer gewusst. So schrieben wir unter anderemauch Coca-Cola Schweiz an. Offensichtlich hatten wir unsere Anfrage zuwenig klar formuliert:

"Wir beziehen uns auf Ihr Schreiben vom 27.Augustund bedanken uns dafür. Es freut uns, dass Sie die Coca-Cola Dosen zumThema Ihres Projektes gemacht haben......

......

2. Getränkedosen sollten NIE weder geschüttelt noch geklopft werden!

3. Getränkedosen sollten immer sorgfältig und langsam geöffnetwerden.

......

Mit freundlichen Grüssen Coca Cola AG

Wieder um einer Erfahrung reicher, versuchten wir überWorld Wide Web direkt Kontakt mit Coca-Cola in Amerika aufzunehmen. Undwahrlich:Coca-Cola Amerika bietet sogar eine Art "Briefkasten-Onkel"-Dienstan:

Frisch gewagt, ist halb gewonnen und wir haben unsere Anfrageauf elektronischem Wege eingereicht. Leider hatten wir offensichtlichwieder die falsche Informationsquelle angezapft. Erst nachdem wir über WWW einen mehr Erfolg verheischenden Ansprechpartner eruiert hatten,stellte sich der gewünschte Erfolg ein:

Email von Richard Dempster, The Coca-Cola Company,Industry and Consumer Affairs:

"Thanks for the e-mail. The following is different facts on carbonation:

.............

.............

Please visit our Web site again."

In der Zwischenzeit war unser physikalisches Modell schonrecht weit gediehen. Wir bedienten uns einer Simulationssoftware. STELLAerlaubt es, auch komplexere dynamische Systeme recht einfach über einen graphischen Editor zu erstellen. Die Überlegungen undmathematischen Beziehungen müssen natürlich immer noch vom Menschenangestellt werden.

So schön das Modell auch aussieht, unser Vorgehen warnicht von Erfolg gekrönt. In unserem Modell verharrten die CO2-Blasen entweder am Boden der Büchse, durchschlugen diesen nachunten oder vollführten sonstige Kapriolen. Nach langer und verzweifelter Fehlersucherealisierten wir:Die Mathematik hatte uns ein Schnippchen geschlagen. Inunserem Modell tauchen beispielsweise mit dem Druck innerhalb der Büchse und dem Radius einer sich bildenden Blase Grössen auf, die sich inastronomischen Masse unterscheiden. Die Folge:Rundungsfehler, die unserganzes Modell ad absurdum führten. Nun, so schnell wollten wir nicht aufgeben und wandten uns per Emailan den Hersteller der Software STELLA:

From:support@hps-inc.com (Customer Support)

Subject:Re:STELLA

Status:RO

Dear Stefan and Stephanie,

Thanks for writing. It sounds as if the problem you're experiencing, of

the software rounding small numbers to zero, is something you're seeing

when you plot variables in a table. You could solve this problem by double

clicking on the variable name in the table (not in the define dialog, but

on the table itself). This will pop up the table format dialog which gives

you the option of selecting different levels of precision for the number of

decimals reported for a given variable.

................

I hope this solves the problem you

reported. If it doesn't please, write back to us.

Regards,

Lindsey Gannon

Customer Service Group

Leider war der unserem Differentialgleichungssysteminnewohnenden mathematischen Problematik auch mit diesem Hinweis nichtbeizukommen. So entschieden wir uns für ein neues Werkzeug, das ComputerAlgebra System Mathematica. Und hier würde unsere Geschichte weitergehen. Aber eigentlich wollten wir ja nuraufzeigen, welche Möglichkeiten sich im Unterricht unter anderem dankInternet ergeben. Die Lösung unseres Problems möchten Sie noch wissen? Die verraten wir nicht! Experimentieren Sie selber,am besten zuerst in der Badewanne. Und wenn Sie dann nicht weiterwissen,schreiben Sie uns. Wir sind auch per Snail Mail erreichbar.