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Monatsrätsel, Physik im Alltag und Naturphänomene

Räteselfoto des Monats Dezember 2016

weihnachtskerzenreflexionenKerze vor dem Fenster. Wie kommt es zu den Farben?

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130_tropfen_rvErklärung des Rätselfotos des Monats November 2016

Frage: Wie kommt es zu dieser künstlerisch anmutenden Struktur?

Antwort: In unserem nicht heizbaren Wintergarten inszeniert die Natur manchmal am frühen Morgen farbenprächtige Szenen. An der gläsernen Scheibe des Daches hängen zahlreiche Wassertropfen. Damit das nicht so leicht zu erkennen ist, habe ich gemeinerweise das Bild auf den Kopf gedreht, so dass die hier als stehend gesehenen Tropfen in Wirklichkeit hängen. Ursache für die Tropfenbildung ist die Kondensation von Wasserdampf.
Wer jetzt auch noch wissen will, wie es zu der Tropfenbildung kommt, der muss sich durch die folgenden etwas spezielleren Ausführungen hindurch mühen.
In der Nacht kühlt sich das Glasdach sehr stark ab. Die absolute Luftfeuchte steigt über die maximale und der Taupunkt wird überschritten. Der überschüssige Wasserdampf in der Nähe der Scheibe geht an stets vorhandenen Kondensationskeimen in den flüssigen Zustand über, und da die Glasscheibe nicht vollständig benetzbar ist, bilden sich Wassertropfen. Im Foto erkennt man Wassertropfen unterschiedlicher Größe. Diese Hierarchie spiegelt den aktuell ablaufenden Kondensationsprozess wider.
Wenn die Tropfen eine gewisse kritische Größe erreichen, überschreitet die Gewichtskraft die Adhäsionskraft mit der die Tropfen an der Glasfläche haften, und sie fallen ab. Zwar wächst mit der Tropfengröße auch die benetzte Fläche und damit die zur Fläche proportionale Adhäsionskraft. Aber die Gewichtskraft wächst proportional zum Volumen der Tropfen und damit „schneller“. Mit anderen Worten: während die Fläche ungefähr mit der 2. Potenz des Radius wächst, nimmt das Volumen mit der 3. Potenz des Radius zu.
Die herabfallenden großen Tropfen hinterlassen meist einen kleinen Minitropfen in einer ansonsten freien Fläche. Sie bleibt nicht lange frei. Neben dem Minitropfen, der durch erneute Anlagerung von Wassermolekülen wächst, bildet sich eine ganze Kolonie neuer Tröpfchen.
Wenn sich wachsende Tropfen berühren, vereinigen sie sich, weil sich dadurch die Gesamtoberfläche verkleinert und folglich Grenzflächenenergie an die Umgebung abgegeben werden kann (Maximierung der Entropie). Das Foto stellt somit eine Momentaufnahme dieses Prozesses dar, aus dem sich die gesamte Evolution von der Geburt bis zum Tod der Tropfen ablesen lässt. Da die Tropfen auf den Boden fallen und dort eventuell wieder verdunsten und die Dampfkonzentration erhöhen, stellt sich ein Kreislauf ein, der dafür sorgt, dass die Scheibe mit Tropfen bedeckt bleibt – jedenfalls solange die äußeren Bedingungen passen.
Die Tropfen stellen sowohl kleine Linsen als auch gewölbte Spiegel dar und bilden die Umgebung in vielfacher Weise ab. Da der Blick nach oben zum Himmel gerichtet ist, sieht man Abbilder der Wipfel eines hohen Baumes und die grau-blaue Farbe des Himmels. Aufgrund des leicht unterschiedlichen Blickwinkels auf die Tropfen ist ein mehr oder weniger großer Teil des Baumes zu sehen. Die Form der großen Tropfen weicht wegen der Gewichtskraft sehr stark von der Kugelgestalt ab. Dies kommt auch in den irregulären Verzerrungen des abgebildeten Baumwipfels zum Ausdruck.

 

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Diskussionen

4 Gedanken zu “Räteselfoto des Monats Dezember 2016

  1. Na, das mit den Tropfen war aber fies 🙂 Das neue Rätsel hat, würde ich vermuten, mit der doppelten Brechung der Fensterscheibe zu tun (wenn’s nicht gar Doppelfenster sind), sodass das Bild hin und hergeworfen bzw. prismatisch gebrochen wird. Wie genau das aber funktioniert – keene Ahnung. Das wirst Du uns in einem Monat erklären! Liebe Grüße!

    Verfasst von simonsegur | 1. Dezember 2016, 14:55

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