Auslaufendes Wassergefäß


Auslauf eines Wassergefäßes (wassgef.dyn)

[Graphen]  [Unterrichtliche Anregungen]

Gegeben sei ein mit einer Flüssigkeit gefülltes zylindrisches Gefäß. An seinem Boden befinde sich ein kleines Loch, durch das diese Flüssigkeit ausströmen kann. Das Loch möge so klein sein, daß sich eine (weitgehend) laminare Strömung einstellen kann. Gefragt ist der zeitliche Verlauf der Füllstandshöhe, wenn der Behälter, anfangs bis zu einer gewissen Marke gefüllt, sich zu leeren beginnt. Da von einem zylindrischen Gefäß ausgegangen wird (vasenähnliche Gefäße oder andere "pathologische" Formen darf man ruhigen Gewissens den Mathematikern zur Berechnung überlassen), kann man statt der zeitlichen Veränderung des Füllstands gleichermaßen auch die zeitliche Veränderung des Flüssigkeitsvolumens untersuchen.

für die Schule eine induktive Lösung

Die Lösung dieses Problems ist rein deduktiv möglich (Lösung: Die zeitliche Änderung des Flüssigkeitsstands ist proportional zur Wurzel aus dem jeweiligen Flüssigkeitsstand), jedoch in der Sekundarstufe nicht durchführbar, so daß hier "nur" der induktive Weg gewählt werden kann (Vorteil: man kann hier den stattfindenden Modellbildungsprozeß besonders gut verdeutlichen). Beim Auslauf der Flüssigkeit handelt es sich also nicht, wie man gelegentlich lesen kann, um einen exponentiell verlaufenden Vorgang, der prinzipiell erst nach unendlich langer Zeit abgeschlossen wäre. Vielmehr folgt aus dem quadratischen Zusammenhang zwischen der Füllstandshöhe und der Zeit eine endliche (begrenzte) Zeitdauer bis zum völligen Auslauf der Flüssigkeit.

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© Goldkuhle, Kohorst, Portscheller 12.12.1996