Rätselfoto des Monats Juni 2019

Wie kommt es zu der Karomusterung der Wasseroberfläche?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Mai

Frage: Warum dominiert die Kreisförmigkeit?
Antwort: Die Blasen wurden auf der Wasseroberfläche in einer Regentonne beobachtet. Nachdem es aufgehört hatte zu regnen, tröpfelte das restliche Wasser noch eine ganze Zeit lang in die Tonne. Fast jeder Tropfen erzeugte dabei eine Blase. (Wie das möglich ist, kann man in einem früheren Beitrag nachlesen.) Es erscheint uns selbstverständlich, dass Blasen dazu tendieren, Kugelform bzw. auf dem Wasser das Zweitbeste, nämlich nahezu Halbkugelform anzunehmen.
Als Kugel nimmt die Seifenhaut die kleinste Fläche ein, um das gegebene Luftvolumen zu umschließen. Da zur Ausbildung der Seifenoberfläche Oberflächenenergie nötig ist, wird durch die kleinste Oberfläche die Oberflächenenergie minimiert. Dahinter steckt das Prinzip der Natur, unter den gegebenen Umständen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik).
Wenn sich zwei Blasen zusammentun, ist die Vergrößerung der Oberfläche und damit der nötigen Grenzflächenenergie kleiner als die Summe der Vergrößerungen durch die einzelnen Blasen. Daher ziehen sich die Blasen an und bilden einen Blasenteppich anstatt einzeln auf der Wasseroberfläche zu driften. Die Anordnung in diesem Teppich ist der Tendenz nach hexagonal, weil dadurch ebenfalls eine Minimierung der eingenommenen Oberfläche erreicht werden kann. Und wenn die Umstände es erlauben, strebt auch noch der gesamte Blasenteppich zur Kreisform, weil auf diese Weise die Grenze zwischen Blasen und freier Oberfläche und damit abermals der Oberflächenenergie minimiert werden kann. Das ist im vorliegenden Beispiel nahezu realisiert.
Die Minimierung der Randlänge zwischen freier Wasseroberfläche und Blasenteppich findet man auch noch in der Lochform wieder, die durch die fallenden Tropfen gebildet wird.
Reine Wasserblasen sind sehr kurzlebig. Die Langlebigkeit der hier vorgefundenen Blasen ist der Verunreinigung des Wassers mit Pflanzenresten zuzuschreiben, die eine ähnliche Wirkung auf die Oberflächenspannung und damit auf die Lebensdauer der Blasen hat wie die Tenside bei Seifenblasen.