Wie funktioniert ein Wasserfall genau?

Einführung in die Physik der Wasserfälle

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Dinge zu einem ungeordneteren Zustand neigen. Was ist Schöpfung und was ist Zerstörung? Sagt das zweite Gesetz, dass die Zerstörung über die Schöpfung siegt? Gewiss nicht. Es heißt, dass es einfach eine Tendenz gibt, dass sich die Dinge in einen ungeordneteren Zustand bewegen.

Ein Wasserfall erfüllt meiner Meinung nach alle diese Kriterien, Schöpfung und Zerstörung und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, gleichzeitig. Was ist schließlich ein Wasserfall? Wie ist es entstanden und wie funktioniert es wirklich? Dieser Artikel untersucht diese Probleme im Detail.

Die Spitze eines Wasserfalls: Nur der Anfang

Die Schaffung eines Wasserfalls

Ein Wasserfall entsteht, wenn Flusswasser die schwächere Erde, den Fels oder den Sand seines ursprünglichen Bachbettes erodiert und den Fels im Laufe der Zeit (im Allgemeinen Äonen) beiseite und zusammen mit dem Wasserfluss drückt. Allmählich entsteht ein Sprung in den Fluss. Zerstörung? Schließlich wurde dieses Bad bedeutsam genug, um als „Wasserfall“ bezeichnet zu werden: eine neue Schöpfung.

Es ist wahr, dass der Fluss seine ursprünglichen Grenzen „zerstört“ hat – sein ursprüngliches Bachbett und das Material, das darin war. Dies entspricht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik – die Dinge neigen zu einem ungeordneteren Zustand. Dieser „ungeordnetere Zustand“ ist jedoch aus meiner Sicht selbst eine Schöpfung.

Der ursprüngliche Fluss wurde über einen großen Zeitraum „zerstört“, aber gleichzeitig schuf er etwas Schönes: der Wasserfall, wo das Wasser einen Rand in seinem Bachbett erreicht, dann fällt das ganze Wasser scheinbar ungeordnet eine Strecke hinunter, bevor es auf den Boden stürzt und dann in seinem „neu geschaffenen“ Flussbett weitergeht.

Ein Wasserfall ist ein bisschen wie Billard

Um die Physik des Wasserfalls zu verstehen, betrachten Sie Wassermoleküle als Billardkugeln, die sich gegenseitig umwerfen.

Wenn jedes Molekül fällt, stößt es auf andere Wassermoleküle und manchmal auf Gestein / Mineral, bis es den Boden erreicht und mit Kraft trifft, abhängig von der Entfernung, aus der es gefallen ist. Diese Kraft wurde durch die Schwerkraft verursacht, die das Molekül mit allen übrigen Wassermolekülen des Stroms und einigen Verunreinigungen schnell nach unten zog. Verunreinigungen könnten Mineralien sein, die durch den Strom erodiert wurden, vielleicht sogar Sandstücke, Holz oder Blätter oder andere Vegetation, oder Abfall der Menschheit, der im oberen Teil des Flusses schwebte oder unterwegs war.

Billard und die Physik der Wasserfälle haben viel gemeinsam

Physik ist überall um uns herum

Der Grund eines Wasserfalls scheint nur chaotisch zu sein

Mit bloßem Auge scheint der Grund des Wasserfalls chaotisch zu sein. Was trifft das Wassermolekül jedoch, wenn es den Boden erreicht, voller kinetischer Energie, die es aus Schwerkraft und Entfernung gewonnen hat? Es trifft auf andere Wasser- und Mineralmoleküle, die kürzlich dieselbe Reise über den Wasserfall unternommen haben, ebenfalls voller kinetischer Energie, oder möglicherweise auf die anderen zuvor erwähnten Verunreinigungen.

Alle diese Moleküle am Grund des Wasserfalls werden mit bloßem Auge als eine wirbelnde, sprudelnde Wassermasse gesehen, die so mächtig und gefährlich destruktiv / kreativ aussieht, wie sie ist. Warum ist die Basis des Wasserfalls so mächtig, viel mächtiger als der reguläre Teil des Baches? Die Basis des Wasserfalls hat enorme kinetische Energie in seiner Beschleunigung von der Spitze des Wasserfalls gewonnen.

Es nutzt diese kinetische Energie, um im Laufe der Zeit eine Grube im „neuen“ Bachbett am Fuße des Wasserfalls zu schaffen, da es die festen Bodenmaterialien mit größerer Effizienz erodiert und dabei einen Teil oder den größten Teil seiner kinetischen Energie aufgibt.

Wenn ein bestimmtes Molekül nicht direkt auf die Bodenfläche trifft, die den Wasserfall oder Kessel enthält, dann trifft es ein anderes Molekül, das ein anderes treffen kann, und so weiter – sehr ähnlich wie die Spiele von Billard und Pool – bis schließlich ein Molekül auf den Boden trifft, möglicherweise mit genug Kraft, um eines der residenten Moleküle von Grundgestein oder was auch immer Material ursprünglich am Boden des Wasserfalls ist.

Ein bestimmtes Molekül kann auch oder stattdessen seine kinetische Energie nutzen, um andere Wassermoleküle vollständig aus dem Strom zu stoßen, wodurch der vertraute Wassernebel entsteht, den die meisten von uns auf unseren Gesichtern gefühlt und auf unseren Kameraobjektiven verflucht haben, wenn sie in Ehrfurcht am Grund des Wasserfalls stehen. Dies wäre vergleichbar mit einer Billardkugel, die versehentlich komplett vom Tisch geschossen wird — ein etwas seltenes Ereignis.

Eine andere Möglichkeit, wie das Wassermolekül seine Energie nutzen kann, besteht darin, die früher gefallenen Wassermoleküle schneller stromabwärts zu drücken, weshalb sich das Wasser weiter bewegt: wasser kann sich nicht für immer in dem Kessel sammeln, der am Grund des Wasserfalls entsteht, schließlich gehen ihm Raum und Energie aus, um dort zu bleiben, und so bewegt es sich in die Richtung, in die es am einfachsten geht: entlang des Flussbettes.

Nach dem Wasserfall geht der Fluss weiter

Warum verläuft der Fluss am unteren Ende des Wasserfalls in einer Linie mit dem oberen Ende des Wasserfalls, auch wenn das umgebende Material weicher und ein „einfacheres Ziel“ für die Wassermoleküle sein könnte? Da das Wasser bereits einen großen Schwung in die ursprüngliche Richtung hat, wird es nach dem Wasserfall tendenziell noch eine Weile in diese Richtung weiterlaufen, es sei denn, ein sehr harter Grundgestein oder ein anderer Umlenker bringt es in die Irre.

Je weiter vom Wasserfall entfernt, desto ruhiger wird das Wasser im Allgemeinen, bis es so erscheint, wie es jeder andere Strom angesichts seiner Tiefe und Breite in Bezug auf den Wasserfluss tun würde.

Ein paar Worte zur Wasserkraft

Ein typisches, modernes Wasserkraftwerk funktioniert aufgrund der gleichen Physik, die wir oben besprochen haben. Es erntet einen Teil der unglaublichen Energie des fallenden Wassers und nutzt es, um Turbinen zu drehen, die wiederum Strom für den sofortigen Gebrauch oder für die Speicherung in riesigen Batterien produzieren.

In historischen Zeiten wurde mit hydraulischer Kraft ein hölzernes Schaufelrad gedreht, das wiederum eine Säge- oder Getreidemühle direkt mit Strom versorgte. Solche Dinge können heute noch in Teilen der Vereinigten Staaten verwendet werden, entweder als historische Wahrzeichen, Reproduktionen davon, oder im täglichen Gebrauch von verstreuten Amish-Gemeinden in Teilen der Vereinigten Staaten.

Yvonne am 14.Januar 2020:

Das ist so gut und gut geschrieben. Danke dafür. Die Physik hinter Wasserfällen schien mir immer ein Rätsel zu sein, aber jetzt ist es vollkommen klar. Daumen hoch!

Faiq im August 13, 2017:

Sehr schön geschriebener Artikel. Bitte erklären Sie die Physik hinter von der Spitze der Rückseite eines Gummikajaks über das tosende Wasser eines abgeworfen zu werden 6 Füße Wasserfall im oberen Bundesstaat Washington. Die anderen Leute im Kajak saßen einfach hübsch da. Die Aussicht auf die Umgebung vor meiner Tortur war „atemberaubend“, aber als ich am Fuße des Wasserfalls taumelte, dachte ich, dass alle meine Atemzüge buchstäblich für immer weggenommen wurden. Ich habe eine allgemeine Vorstellung davon, was passiert ist, würde aber gerne Ihre Erklärung in physikalischen Gesetzen hören, die auf das Kajak einwirken, die Kajakreaktionen, meine Flugbahn in der Luft, und im Wasser. Danke.

douglas wynn im Juli 16, 2015:

ich bin ein bildender Künstler-visuelle , vor allem und auch ein Student der Ästhetik. ich versuche immer zu lesen, was im kreativen Prozess meiner Arbeiten hilft. normalerweise mache ich Landschaften und kürzlich einen Wasserfall. ich habe sie schon einmal gemacht, aber kürzlich auch ein Buch gelesen, „art & physics“ von l. shlain. ich war überrascht zu sehen, wie eng Physik und Kunst wirklich miteinander verwandt sind. da ich die Lücke zwischen dem Wasserfall, meiner Kunst und der Physik etwas schließen wollte, dachte ich, es könnte etwas im Internet geben, das helfen könnte. vielen Dank für Ihre Information. es wird sehr praktisch sein, die Lücken noch mehr zu überbrücken. mit freundlichen Grüßen, Doug. [email protected]

CraftytotheCore im Oktober 12, 2013:

LOL! 😀

Laura Schneider (Autorin) aus Minnesota, USA am October 12, 2013:

Danke, CraftytotheCore! –GeekytotheCore

CraftytotheCore im Oktober 11, 2013:

Sehr interessant. Ich mochte besonders die Erklärung, warum sich Wasser vorwärts bewegt. Ich mag auch alle Details und wie Sie das Billardspiel als Beispiel verwendet haben.

Laura Schneider (Autorin) aus Minnesota, USA am September 21, 2013:

Herzlich willkommen, susi10! Danke für das Kompliment! 🙂

Susan W von den Britischen Inseln, Europa am 21.September 2013:

Dies ist ein sehr gut geschriebener Artikel, Sie haben die Physik hinter einem Wasserfall hervorragend erklärt, ich wusste, wie Wasserfälle geografisch entstanden sind, aber ich habe nie an die tatsächliche Physik dahinter auf molekularer Ebene gedacht. Danke fürs Schreiben, Laura!

~ Susan W.

Laura Schneider (Autorin) aus Minnesota, USA am April 26, 2013:

Eine hervorragende Analyse! Danke für den Kommentar und für die Komplimente, lumen2light!

Neil Coulson aus Dundee, Schottland am April 26, 2013:

Schöner Artikel: die Gesetze der Physik leiten sich von Naturereignissen ab, die wir dann auf andere Dinge anwenden. Was die Schöpfung / Zerstörung betrifft, so glaube ich, dass es in Bezug auf die Natur keine Zerstörung gibt, da alles aus einem bestimmten Grund geschieht. Was die menschliche Rasse betrifft, so erschaffen und zerstören wir, und es liegt in der menschlichen Natur, unsere eigene Theologie auf das Wirken der Natur anzuwenden.