Versuch mit der Hele-Shaw Zelle

Die Hele-Shaw Zelle, benannt nach ihrem Erfinder Henry Selby Hele-Shaw (* 29. Juli 1854 in Billercay; † 30. Januar 1941) wurde entwickelt um fraktale Strukturen mit einfachen Mitteln experimentell herzustellen.

Wie wird die Hele-Shaw Zelle hergestellt?

Material: Plexiglas, 8 Schrauben und Muttern, eventuell Unterlegscheiben, Stichsäge, Bohrmaschine. Von uns hinzugefügt: Filterpapier.
Aus den Plexiglasscheiben 2 Quadrate (15x15cm) schneiden und jeweils ein Loch in jede Ecke und in die Mitte jeder Seite bohren. In die Mitte einer Scheibe ein Loch mit dem Durchmesser der Spritzenmündung bohren .Die beiden Plexigläser mit Schrauben fixieren, ggf. mit Unterlegscheiben Abstand der Scheiben regulieren. Bei dem Bau Kratzer und andere Beschädigungen möglichst vermeiden.

Was ist ein Fraktal?

Ein Fraktal ist ein künstliches oder natürliches Gebilde, welches im Idealfall aus einer Grundform besteht und diese in einem immer kleiner werdenden Maßstab ausbildet. Ein gutes Beispiel aus der Natur ist ein Baum, der sich vom Stamm ausgehend bis in die äußersten Spitzen verästelt.

Was passiert bei dem Versuch?

Die viskosere (zähflüssigere) Flüssigkeit (z.B. Honig, Seife, Butter), welche zuvor in die Hele-Shaw Zelle reingepresst worden ist, wird von der weniger viskosen Flüssigkeit (z.B. Wasser mit Farbstoffen)  an bestimmten Stellen durchdrungen. Diese Stellen sind Einbuchtungen, welche durch unregelmäßige und unregulierbare Schwankungen der Versuchsbedingungen zufällig auftreten. Es bilden sich fingerförmige Kanäle, die sich immer weiter aufspalten. Es entsteht ein Muster aus immer feiner verästelten Kanälen, ein so genanntes Fraktal.

1. Modell:  Vier Schrauben an jeder Ecke, kein Abdichtungsring aus Filterpapier

Folge: Durch unregelmäßige Druckverteilung läuft das Wasser an den Seiten heraus wodurch die entstandenen Fraktale nur in eine Richtung wachsen und sobald die Flüssigkeit den Rand erreicht hat direkt zerfallen.

2. Modell:  Insgesamt 8 Schrauben und ein Abgrenzungsring aus Filterpapier

Folge: Optimale Druckverteilung ermöglicht die Bildung eines mustergültigen Fraktals was über einen langen Zeitraum bestehen bleibt.


Bedienungsanleitung für die selbstgebaute Hale-Shaw Zelle

Material

Die Zelle besteht aus zwei Plexiglasscheiben mit je acht Löchern am Rand. Die im Versuch oben befindliche Scheibe hat außerdem in der Mitte noch ein kleines Loch. Außerdem gehören jeweils acht Muttern und Schrauben und zwei Einwegspritze zur Versuchsapparatur.
Für den Versuch benötigt man mehrere Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität und Filterpapier.

Vorbereitung des Versuches

Wenn die Präparation der Zelle beim letzten Abbau ordnungemäß durchgeführt wurde, muss man die Zelle selber nicht vorbereiten. Sie ist ordnungemäß präpariert  worden, wenn sie so wie im Abb. 1 aussieht.
Wenn sie nicht so aussieht, muss die Präparation der Zelle so durchgeführt werden, wie sie im Abbau beschrieben ist.
Die Flüssigkeiten werden in Einwegspritzen gefüllt. Dabei ist darauf zu achten, dass in die Spritzen keine Luft gelangt, da diese den Versuch beeinflussen würde. Um die Fraktalbildung besser beobachten zu können, ist es ratsam, eine der Flüssigkeiten zu färben.

Durchführung

Zuerst presst man die Flüssigkeit mit der höheren Viskosität mit Hilfe der Einwegspritze durch das mittige Loch zwischen die Platten, sodass sie sich kreisförmig ausbreitet. Dabei ist darauf zu achten, dass die Flüssigkeit noch einen Abstand zum Filterpapier hat und es nicht berührt. Dann werden die Spritzen ausgetauscht, bevor man die weniger viskose Flüssigkeit in die Apparatur gibt, zieht man erst etwas Flüssigkeit in die Spritze ein, um die Luft, die beim Wechseln der Spritzen in das Loch gelangt, aus der Zelle fernzuhalten. Wenn die gegebenenfalls vorhandene Luft aufgestiegen ist und somit aus dem Versuch entnommen wurde, wird die zweite Flüssigkeit langsam in die Zelle gepresst. Es ist eine Fraktalbildung zu beobachten. Hier ist es wichtig, dass die Front der zweiten Flüssigkeit nicht die Front der ersten Flüssigkeit einholt oder überholt. Außerdem darf die Front der zweiten Flüssigkeit nicht das Filterpapier erreichen.

Abbau

Nach dem Versuch wird die Apparatur auseinander genommen und mit Wasser und Seife gereinigt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Oberfläche der Plexiglasscheiben nicht beschädigt wird. Nach dem Reinigen müssen die Einzelteile abgetrocknet werden. Außerdem muss man ein Ring aus Filterpapier schneiden, dessen Ausmaße man aus entnehmen kann. Danach wird die Zelle wieder zusammengebaut. Es ist wichtig, dass die Markierungen an den Seitenflächen übereinstimmen und dass das Filterpapier beim Zusammenbau zwischen die Platten gelegt wird. Außerdem sollte man beim Anziehen der Schrauben zuerst die Schrauben in den Kantenmitten anziehen und dann die Schrauben an den Ecken, wobei man immer die gegenüberliegenden Schrauben direkt nacheinander festmachen sollte um Druckunregelmäßigkeiten zu vermeiden.

Tipps von uns

Man sollte darauf achten, dass die Farben der Flüssigkeiten sehr kräftig und verschieden sind. Das dient zur besseren Unterscheidung der Flüssigkeiten. Besonders gute Ergebnisse kommen bei Honig oder Flüssigseife in Verbindung mit Wasser zu Stande. Der Honig sollte klar und gießbar sein. Dennoch ist es ihnen überlassen, welche Flüssigkeiten sie in diesem Versuch kombinieren, da jede Kombination ihre charakteristisch individuellen Fraktale bildet.