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Energie und Entropie

Diese Kategorie enthält 88 Beiträge

Die Welt der Blasen

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Das kalt gebliebene Osterfeuer

Auch wenn Osterfeuer wie fast jedes Massenereignis der Umwelt schaden, erinnere ich mich gern an die vergangenen Feuer, in denen man Naturgewalt des Feuers unmittelbar zu spüren bekommt. Das Feuer sorgt durch seine intensive Strahlungsenergie, die bei hoher Temperatur abgegeben wird, dafür dass man freiwillig auf Abstand bleibt. (Was in anderen Bereichen kaum zu erreichen ist – das sage ich aus aktuellem Anlass.) Demgegenüber sind poetische, kulturelle, physikalisch u. Ä. Annäherungen gefahrlos möglich. Sie zeigen dass die Komplexität des Phänomens durchaus mit der abgestrahlten Wärme mithalten kann. Selbst die abgegebenen Gase sind so heiß, dass sie auch dann noch durch einen Funken entzündet werden können, wenn sie die Verbindung zum verbrennenden Holz bereits verloren haben.
Die Osterfeuer sind in diesem genau wie im vorigen Jahr abgesagt. Wenn ich an das Osterfeuer unserer Gemeinde denke, das mit dem liegen gebliebenen Brennmaterial des Vorjahres nunmehr die doppelte Größe erreicht hat, so hoffe ich dass es im nächsten Jahr mit dreifacher Größe, dreifacher Wärme und dreifachem Jubel über die dann hoffenlich überstande Coronazeit ein positives Lichtzeichen in die Welt senden wird.

Das Foto zeigt den übrig gebliebenen Schornstein einer seit Jahrzehnten aufgegebenen Zieglei. Obwohl er ziemlich zittrig aussieht und durch die Flammen des Osterfeuers hindurch gesehen den Eindruck erweckt, jeden Moment umzukippen, handelt es sich dabei nur um eine optische Täuschung. Da der Brechungsindex der Luft von der Temperatur abhängt, wird das vom Schornstein ausgehende Licht den chaotischen Bewegungen der unterschiedlich heißen Gasfragmente entsprechend mal in die eine, mal in die andere Richtung abgelenkt. Das vermeintliche Zittern von Sternen (Twinkle, twinkle, little star…) hat die gleiche Ursache.

Weinender Wein

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 4 (2021), S. 68 – 69

Wie oft ein Glas Wein ein System erzeugt

Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

Schwenkt man ein alkoholisches Getränk im Glas, rinnen an dessen Innenwand Tropfen herab. Sie entstehen, weil verdunstender Alkohol einen dünnen Film aus der Flüssigkeit in Form einer instabilen Stoßfront hochsaugt.

Weintrinker schwenken ihr Glas, um die Aromen besser zur Geltung zu bringen. Dabei bilden sich an der Innenseite Tropfen, die in das Getränk zurückfließen. Das Phänomen ist vielen Genießern vertraut und erlaubt gewisse Rückschlüsse auf die Konzentrationen der enthaltenen Stoffe – beispielsweise ist es besonders bei hochprozentigen Vertretern gut zu beobachten. Da die entstehenden Figuren ein wenig an Kirchenfenster erinnern, werden sie zuweilen auch so genannt.
Dass Wein auf diese Weise gewissermaßen Tränen vergießt, ist seit langem bekannt. Der englische Physiker Charles Vernon Boys (1855–1944) ging in seinem früher sehr populären Buch über Seifenblasen sogar davon aus, die Erscheinung würde bereits »in den Sprüchen Salomons Kapitel 23, Vers 31 erwähnt: Siehe den Wein nicht an, wenn er rot ist, wenn er seine Farbe dem Glase gibt, und wenn er von selbst aufwärts steigt.« (In der deutschen Bibelübersetzung Luthers lautet die Stelle etwas anders.)
Die erste physikalische Erklärung lieferte James Thomson (1822–1892) Mitte des 19. Jahrhunderts, doch die Details des Alltagsphänomens beschäftigen die Wissenschaft bis heute. Im März 2020 hat eine Forschergruppe um die Mathematikerin Andrea Bertozzi von der University of California in Los Angeles eine Arbeit dazu publiziert. Die Untersuchung bezieht die Geometrie des Glases ein und soll eine vollständige quantitative Beschreibung der Tränen liefern. Das Phänomen wirkt auf den ersten Blick einfacher, als es tatsächlich ist. Zum Verständnis ist es nötig, das Wechselspiel vielfältiger physikalische Aspekte zu entwirren.
Zunächst kommt die Tendenz gewisser Flüssigkeiten ins Spiel, Flächen zu benetzen. Schaut man sich ein Glas mit Wasser darin etwas genauer an, erkennt man, wie letzteres ein Stück weit an der Wand aufsteigt und einen typischen konkaven Meniskus hervorbringt. Das passiert, weil zur Ausbildung einer Grenzfläche zwischen zwei Substanzen Grenzflächenenergie nötig ist. Die Natur tendiert dazu, diese möglichst gering zu halten, und bei Wasser und Glas ist weniger Energie erforderlich als im Fall von Luft und Wasser.
Der Weg nach oben endet allerdings bald: Der Energiegewinn infolge des Anhaftens wird durch die potenzielle Energie, die das Medium nach unten zieht, mit zunehmender Höhe aufgewogen. Der Vorgang heißt auch Kapillareffekt. Wenn man nämlich das Glas auf ein Röhrchen mit winzigem Durchmesser verengt, reduziert das die anzuhebende Masse der Flüssigkeitssäule enorm, und das Wasser kann weiter steigen. In Bäumen spielt das eine wesentliche Rolle beim Transport von der Wurzel bis in die Blätter (siehe »Spektrum« Juli 2015, S. 50).
Wein und andere alkoholische Getränke bestehen vor allem aus Wasser und Alkohol sowie einigen für den Geschmack entscheidenden Stoffen. Beide Flüssigkeiten gehen zwar eine homogene Mischung ein, verhalten sich aber in physikalischer Hinsicht unterschiedlich. Alkohol verdunstet wesentlich bereitwilliger, hat also eher die Tendenz, in den gasförmigen Zustand überzugehen. Das ist unter anderem auf die größere Grenzflächenspannung des Wassers zurückzuführen, die der Verdunstung entgegenwirkt. Der Alkohol verfliegt daher früher – das wird bei der Destillation zum Abtrennen des »Weingeistes« ausgenutzt. Der Prozess läuft in der dünnen Schicht an der Glaswand besonders stürmisch ab. Dort ist die Grenzfläche zwischen Luft und Wein im Verhältnis zum Volumen sehr groß, und der Anteil des Wassers nimmt rasch zu. Dessen Anreicherung wiederum steigert die Grenzflächenspannung im Flüssigkeitsfilm.
Zur Verdunstung ist Energie nötig, die der Umgebung entzogen wird, also vor allem dem Wein selbst. Damit ist eine verhältnismäßig starke Abkühlung verbunden. Einen lebhaften Eindruck von der Verdunstungskälte kann man sich verschaffen, indem man einen Tropfen Alkohol auf dem Handrücken verteilt und die Hand schwenkt oder anbläst (siehe »Spektrum« Januar 2012, S. 52). Die Grenzflächenspannung nimmt mit sinkender Temperatur zu, was zusätzlich zum Spannungsunterschied zwischen dem dünnen Film und dem übrigen Wein beiträgt.
Das führt zu Ausgleichsströmungen: In dem Maß, in dem vor allem der Alkohol verdunstet, wird Wein aus dem Glas nachgezogen. Der Effekt ist nach dem italienischen Physiker Carlo Marangoni (1840–1925) benannt, der ihn schon im 19. Jahrhundert eingehend studiert hat. Jedoch war bislang noch nicht geklärt, wie der Prozess im Einzelnen abläuft. Denn stiege die Flüssigkeit in einem Film von einheitlicher Dicke auf, wäre nicht einzusehen, wieso sie nicht einfach ähnlich gleichmäßig wieder zurückfließen sollte – statt es in Form von Tränen zu tun.
Bertozzi und ihre Kollegen haben nun mit einem mathematischen Modell und Experimenten eine Lösung des Problems gefunden. Sie gehen unter anderem davon aus, dass die Grenzflächenspannung mit der Höhe des Films gleichmäßig zunimmt. Dann bewegt sich die Flüssigkeit in einer ringförmigen Welle nach oben. Dabei handelt es sich – in wissenschaftlicher Terminologie – um eine »umgekehrte unterkompressive Stoßwelle«. Trotz der äußeren Ähnlichkeit mit einer normalen Stoßwelle lässt hier das anhaltende Ziehen infolge der Marangoni-Strömung das Gebilde instabil werden.
Innerhalb der Schicht rücken einzelne Fronten nach, die von der Grenze zum Weinmeniskus ausgehen. Sie laufen gegen die bereits an der Glaswand befindliche, mit Wasser angereichte Flüssigkeit an. Dann lassen kleinste Inhomogenitäten entlang der Welle diese an solchen Stellen zerreißen. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren, ziehen sich die Bruchstücke sofort zu separaten Tropfen zusammen, die wie Tränen am Rand herabfließen. Das Szenario wiederholt sich, solange ausreichend Alkohol im Wein ist. Angetrieben werden diese Vorgänge letztlich durch die Tendenz von Flüssigkeiten, sich durch Verdunstung gleichmäßig im zur Verfügung stehenden Raum zu verteilen. Sofern wir sie nicht daran hindern, indem wir sie vorher konsumieren.

Quelle

Dukler, Y. et al.: Theory for undercompressive shocks in tears of wine, Physical Review Fluids 5, 2020

Originalversion: Weinender Wein

Ordnungsphänomene und -probleme

Zwischen zwei senkrechten Plexiglasscheiben befinden sich kleine Stahlkügelchen, sodass sie sich nur in zwei Dimensionen bewegen können. Da alle Kugeln die gleiche Größe haben, hätten  sie die Möglichkeit  sich unter dem Einfluss der Schwerkraft flächendeckend einheitlich anzuordnen. Man findet allerdings nur einzelne Bereiche, in denen die Kugeln geordnet sind. Darin wird jede Kugel von sechs weiteren umgeben ist. Dies ist der Zustand minimaler potenzieller Energie, in dem die Kugeln insgesamt die tiefste Lage eingenommen haben. Alle anderen Anordnungen erforderten mehr Platz und mehr Energie. Daher mag es auf den ersten Blick erstaunlich erscheinen, dass nicht alle Kugeln diese zweidimensionale hexagonal dichteste Kugelpackung realisiert haben. Weiterlesen

Widerspenstiger Ketchup

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2021), S.

Das noch nicht festgelegte Element,
das aber fähig ist, sich von außen
bestimmen zu lassen

Theodor Schwenk (1910 – 1986)

Die Würzsauce ist mal dünn- und mal dickflüssig – je nach mechanischer Einwirkung. Für die variable Konsistenz sind in ihr enthaltene Molekülketten verantwortlich. Weiterlesen

Systeme entdecken Muster

Man kann davon ausgehen, dass sich das System hauptsächlich deshalb entwickelt hat, um Muster zu entdecken, so dass ein Muster in gewissem Sinne seine eigene Belohnung wird, auch wenn es in der realen Welt keinen besonderen Vorteil bringt.*

Ich sehe darin ein Schiff aus Sand am Strand im Wellengang. Nicht das Schiff bewegt sich, sondern das zum Meer zurückströmende Wasser. Strömungsmechanisch macht es keinen Unterschied.
Die absolute Länge des Sandschiffs beträgt etwa 50 cm.

Man kann natürlich auch etwas anderes darin sehen.


* Murray Gell-Man (1929 – 2019), Nobelpreisträger der Physik. Im Original heißt es: The system can be regarded as having evolved in great part to discover patterns, so that a pattern becomes in a sense its own reward, even if it confers no particular advantage in the real world.

Eiskristalle wachsen sehen…

… klingt so ähnlich wie: Mäuse husten hören.
In diesen Tagen zeigt sich der Winter in all seinen Facetten. Jedenfalls jenen, die man dem Winter seiner Träume zuschreibt. Lässt man sich nicht zu sehr von dem Schnee blenden, kann man den Blick für das Kleine bewahren und schärfen, das sich oft im Verborgenen abspielt. In diesem Fall war ich auf ein Phänomen gefasst, als ich morgens durch die Balkontür blickend eine Temperatur von -6 °C im nicht geheizten Wintergarten ablas. Mir war klar, dass sobald ich die Tür von der mit Wasserdampf gesättigten Küche öffnete, die Scheiben im Wintergarten beschlagen würden. Sie taten es und vernebelten sofort den Blick auf den winterlichen Garten. Weiterlesen

Strukturbildung im kalten Schnee

In unserer Gegend schneit es seit Tagen bei einer Temperatur von mindestens – 7 °C. Der Schnee ist „trocken“ wie Sand. Jedenfalls lässt er sich nicht zu Schneebällen formen. Er zerfällt krümelig, auch wenn man sich mit warmen Händen noch so bemüht. Der Schnee wird somit zum leichten Spielball des Windes, der ihn wie nichts vor sich hertreibt, verwirbelt und zu aerodynamisch geformten Verwehungen auftürmt. Weiterlesen

Ohne Anomalie des Wassers geht es nicht

Als Kind war ich erstaunt, dass man viel mehr Bauklötze in den dafür vorgesehenen Kasten bekam, wenn man sie ordentlich hineinsetzte, jeden an seinen Ort. Irgendwann danach erschien es mir plausibel, weil – so mein Gedanke – jeder Zwischenraum genutzt wird, anders als wenn alles kreuz und quer durcheinander liegt. Ich musste wohl in der Zwischenzeit so etwas wie das Prinzip der Invarianz (nach Jean Piaget (1896 – 1980) ) verinnerlicht haben, dass eine Anzahl von Klötzen immer dasselbe Volumen beanspruchte, egal ob sie ungeordnet und geordnet waren. Im ungeordneten Zustand ist nur mehr oder weniger viel Luft zwischen ihnen. Weiterlesen

Verborgene Muster im Eis

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2021)

Das Sichtbare erschließt den Blick in das Unsichtbare

Anaxagoras (499–428 v. Chr.)

Wenn eine mit Wasser bedeckte Eisschicht schmilzt, entsteht auf ihr eine regelmäßige Struktur. Dabei spielt Wärmeübertragung durch Konvektion eine wichtige Rolle – und die besondere Dichteanomalie des Wassers.

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Ein Kreis unter dünnem Eis

Wer sich auf dünnem Eis befindet, sollte vorsichtig sein. Allzu leicht kann das Eis einbrechen. Das ist in diesem völlig harmlosen Beispiel geschehen. Der Teich ist nur mit einer dünnen Eisschicht bedeckt, die zudem mit einer Temperatur über dem Gefrierpunkt dabei ist, langsam in die flüssige Phase zu wechseln. Die Eisschicht fällt durch eine fast perfekte kreisförmige Öffnung zum darunter befindlichen Wasser auf, denn alle anderen Strukturen sind eher von floraler Unregelmäßigkeit. Wie kommt zu diesem Kreis?
Nachts waren Gase der biologischen Aktivitäten am Grunde des Teichs aufgestiegen und fanden die Weg in die Atmosphäre versperrt vor. Also sammelte sich eine wachsende Gasblase – genauer: eine Halbblase unter der Eisschicht. Blasen streben die Kugelgestalt an, weil die Kugel ein gegebenes Volumen mit der kleinsten Oberfläche begrenzt. Und da der Aufbau von Oberflächen Energie erfordert, kann Energie eingespart werden, wenn ein Gas sich mit einer kugelförmigen Oberfläche ausstattet. In diesem Fall gibt es eine noch günstigere Möglichkeit, nämlich die Unterseite der Eisschicht in den Bau der Blase mit einzubeziehen und so etwas wie eine Halbblase zu bilden.
Da im Lauf des Tages die Eisschicht begonnen hat zu schmelzen, ist auch die Eisbegrenzung der Blase dünner geworden. Vermutlich hat irgendwann der Auftriebsdruck ausgereicht, die dünne Eisschicht an der schwächsten Stelle zu brechen und das Gas endlich in die Atmosphäre zu entlassen.
Die ehemalige Blase ist übrigens nicht allein. Sie ist von zahlreichen kleineren Blasen umgeben, die wohl noch einige Zeit warten müssen, bis sie ins luftige Element entlassen werden.

Die Blasen steigen übrigens in präziser Vertikalität auf. Das kann man immer dann besonders gut sehen, wenn sich unter der Eisschicht ein Blasenmuster abzeichnet, das die Umrisse des gasausscheidenden Objekts erkennen lässt. Manchmal werden sogar Fahrräder unter die Eisschicht gemalt.

Zaghafte Annäherungen des Winters

Der Winter unternimmt immer mal wieder einen Versuch, Fuß zu fassen und sei es nur in Form von kleinen Eiskristallstrukturen, die eher an Spuren von Vogelfüßen erinnern als an Eis und Schnee.
Dennoch ist dieses Foto einer Fensterscheibe Zeugnis der fantastischen Metamorphose: Unsichtbarer Wasserdampf, der uns meist unmerklich umgibt, zeigt sich in weißen Kristallstrukturen, die das düstere Grau in Grau des Winters ästhetisch konterkarieren.
Die Verteilung der einzelnen Kristallbüschel richtet sich nach sogenannten Keimen, die auf der Glasfläche in Form von kleinen Staubpartikeln statistisch verteilt vorhanden sind. Denn aller Anfang ist schwer: Um vom dampfförmigen in den festen Zustand überzugehen benötigen die frei umherdriftenden Wassermoleküle einen Ausgangspunkt, an den sie andocken können. Dazu sind auch übrig gebliebene Spinnfäden willkommen. Die Eiskristalle verschaffen ihnen eine Sichtbarkeit in völlig neuem Gewand. Nach gelungenem Anfang docken die nachfolgenden Wassermoleküle bevorzugt an bereits bestehenden Kristallen an, sodass diese nach dem Prinzip: „Wer da hat dem wird gegeben“ ein zügiges Wachstum an den Tag legen.

Strukturen im Schnee

Nach dem kurzen Schneeintermezzo in diesem (bei uns bisher ausgebliebenen) Winter möchte ich noch das im Foto eingefangene Phänomen  nachtragen.
Wenn Schnee zu einer Zeit fällt, in der der Boden noch nicht gefroren und die Lufttemperatur in der Nähe des Gefrierpunkts ist, gibt es die Chance interessante Phänomene zu entdecken. Eines dieser Phänomene ist auf dem Foto zu sehen. Als ob die Natur einen Sinn für ästhetische Gestaltung selbst im Bereich von gepflasterten Gehwegen entfalten würde, werden hier die dünnen Fugen zwischen den Pflastersteinen deutlich mit einem relativ hohen Schneewulst überbrückt und in vielen Fällen auch noch dunkel nachgezeichnet. Weiterlesen

Sturm an der Nordseeküste

An der Nordseeküste hinter dem Deich. Unter strahlend blauem Himmel weht ein nur mäßiger Wind. Das kann aber nur in Bodennähe der Fall sein. Denn die Windräder drehen sich kräftig und ernten an diesem Tag reichlich erneuerbare Energie. Offenbar tobt sich der Wind in den höheren Etagen aus, denn auch die total zerzausten Kondensstreifen einiger Flugzeuge sprechen eine deutliche Sprache – die des Windes.

Brechungsmuster von Trinkgläsern

Einige Gläser, die hier auf ihre Füllung warten erfreuen uns derweil mit eindrucksvollen Lichtmustern, die durch die Brechung des von oben einfallenden Lichts beim Durchgang durch die Gläser hervorgerufen werden. Diese Brechungsmuster bestehen aus hellen und dunklen Bereichen, die durch die Form der Gläser gestaltet werden. Dabei heißt hell heller als die Projektionsfläche (eine weiße Tischdecke) und dunkel dunkler als die Projektionsfläche.
Beim Durchgang des Lichts durch die Gläser wird es gebrochen, also aus seiner Richtung abgelenkt und zwar so, dass es beim Übergang von Luft in Glas zum Einfallslot hin und beim Übergang vom Glas zur Luft vom Einfallslot weg aus seiner Richtung abgelenkt wird. Aufgrund der Strukturen der Sektgläser führt das dazu, dass an einigen Stellen mehr und an anderen Stellen weniger Licht landet als es ohne die Gläser der Fall wäre. Die durch das Licht transportierte Energie, die vor allem in seiner Helligkeit zum Ausdruck kommt, ist erhalten, kann also weder erzeugt noch vernichtet werden. Daher kann man anschaulich gesprochen davon ausgehen, dass die helleren Stellen zwangsläufig anderswo dunklere Stellen zur Folge haben.
Im Licht stehende Trinkgläser sind also in der Lage, ihre Schönheit in Form von ästhetisch ansprechenden Brechungsmustern außerhalb ihrer selbst zum Ausdruck zu brinden und auf diese Weise zu steigern.

Vielleicht fällt der einen oder dem anderen auch noch auf, dass die konzentrischen Lichtringe unterhalb der Projektionsfläche der Tischdecke zu liegen scheinen, obwohl von einer Spiegelung keine Rede sein kann – eine schöne optische Illusion.

Blasenwesen aus dem Geist der Fantasie

Das ständige Nieselwetter hat wenigstens eines für sich. In dem Brunnenring, den wir als Reservoir für das Wasser vom Dach nutzen, entstehen durch das hineinlaufende Wasser Blasen und die haben nichts Eiligeres zu tun als unter Missachtung der Abstandsregeln sich zu größen Blasenteppichen zusammenzuschließen. Dabei bilden sie immer wieder kreative Figuren, die die Fantasie auf Reisen schickt. Manchmal denke ich, die tun das nur für mich. Denn meist ist wieder eine neue Gestalt zu bewundern, wenn ich einige Zeit später wieder mal vorbeigehe. So groß kann die Wahrscheinlichkeit doch nicht sein, etwas Figürliches zu schaffen. Weiterlesen

Geheimnisvolle Spuren im Schnee

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 1, (2021), S. 64 – 65

Vergessen wir die Dinge,
betrachten wir die Struktur

Georges Braque (1882–1963)

Abdrücke im Schnee entwickeln sich unter besonderen Bedingungen zu auffällig kreisförmigen Strukturen. Das liegt vor allem am Wärmeaustausch mit der Umgebung, der sich mit der Konsistenz des gefrorenen Wassers verändert. Weiterlesen

Luftkissenboot auf dem Küchentisch

Wir sitzen in der Küche an unserem runden Tisch, der mit einer glatten Marmorplatte ausgestattet ist, und unterhalten uns (oberes Foto). Plötzlich bleibt mir das Wort im Hals stecken, als sich ein Topfdeckel, den ich aus irgendwelchen Gründen kurz vorher auf den Tisch gelegt hatte, wie von Zauberhand bewegt auf die Tischkante und damit auf den Abgrund zu strebt. Ich höre es schon scheppern und wollte gerade zugreifen, als er leicht über die Tischkante hinausragend von selbst stehen blieb. Im Nachhinein hätte ich mir das auch denken können.
Um es gleich vorweg zu sagen, es war nicht der Einfluss böser Kobolde, die in diesen Rauhtagen und -nächten ihr Unwesen treiben. Die Aufklärung lässt sich zum Glück ganz im Rahmen der herkömmlichen Physik geben. Weiterlesen

Steine mit Geweih

Es sieht nur so aus als wüchsen den Steinen im Überflutungsbereich des Strands Geweihe. In Wirklichkeit wachsen die dendritischen Strukturen den Steinen entgegen. Genau genommen interessieren sie sich nicht einmal für die Steine, sondern nur für die Vertiefung im Sand, die durch die Steine bewirkt wurde. Weiterlesen

Gestylte Wimpern durch Mutter Natur

Man schaue sich die Wimpern dieses Kindes an. Sie scheinen sorgfältig gestylt, zu spitz auslaufenden Bündeln vereinigt. Dahinter steckt jedoch keine exaltierte Mutter, sondern letztlich Mutter Natur. Denn das Kind hat nur heftig im Wasser geplanscht. Alles andere geschah von selbst (Selbstorganisation). Wer mit dem Tuschpinsel vertraut ist, kennt das Phänomen in einem völlig anderen Kontext. Solange sich der Pinsel in Wasser befindet, bleiben seine Borsten in etwa so buschig wie außerhalb. Weiterlesen

Von Federn und Raureifstacheln

Als ich am frühen Morgen auf dieses Gebilde stoße (Foto), glaube ich zunächst einen singulären Raureifkristall vor mir zu haben, obwohl alles andere dagegen spricht – die Temperatur, die raureiffreie Umgebung und die Wassertröpfchen, mit denen das Objekt bedeckt ist. Es ist nur eine Flaumfeder eines Vogels, an der sich in der kühlen Nacht Wasserdampf zu Tröpfchen kondensiert hat. Die spontane Verwechslung hat – wie ich mir schnell klarmache – folgende nicht von der Hand zu weisenden Bewandtnis: Die normalerweise dendritisch verzweigte Feder hat die Form von stachelförmigen Auswüchsen angenommen, die Raureifkristallen zum Verwechseln ähnlich sind und sie ist wie diese schneeweiß.
Den Grund dafür verraten die Tröpfchen auf der übrigen Feder. Da die filigrane Feder nur einige wenige Berührpunkte mit der Erde hat und selbst aufgrund ihrer geringen Masse nur eine geringe Wärmekapazität besitzt, führte die Abgabe von Energie durch Wärmestrahlung zu einer fast widerstandslosen Abkühlung. Demgegenüber hielten sich die Abkühlung des Bodens und andere Objekte mit einer großen Masse und Wärmekapazität in Grenzen. Daher unterschritt die Temperatur der Feder sehr schnell den Taupunkt, sodass die relative Luftfeuchte dort über 100% hinausging. Der  überschüssige Wasserdampf ließ sich in Form kleiner Tröpfchen an und zwischen den feinen Verästelungen der Feder nieder. Die Tröpfchen berührten sich schließlich und verschmolzen miteinander um gemeinsam eine kleinere Oberfläche auszubilden und die dadurch freigewordene Energie an die Umgebung abzugeben (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Mit der Verschmelzung der kleinen Tropfen wurden aber auch die feinen Dendriten der Feder an denen sie hingen zu schlanken stachelartigen Gebilden zusammengezogen.

In dunkler Auflösung begriffen

Aber wie ich den Blick ein wenig auf dieser statuenhaften Sterilität ruhen ließ, spürte ich, daß dem ganzen grotesken Arrangement beamteter Akkuratesse etwas entströmte, das diese starre Ordnung in unendlich zögernde Auflösung versetzt hat. Staub und Rost sind die Medien dieser geduldigen Zersetzung, dieser Dekadenz des Anorganischen, dieser Kompostierung des Technischen. Axt und Beil und Säge verrotten wie die Stämme, die sie schlugen. Schaufel und Spaten werden zum Humus, den sie schichteten, Besen zum Schlamm, den sie kehrten. Und über alles legt sich der Staub wie ein Moos der Trockenheit.*

Der für die Herstellung des Bildes benutzte Eisenstaub hätte theoretisch von einem „verrotteten“ Spaten stammen können.


* Klaus Modick. Moos – – Die nachgelassenen Blätter des Botanikers Lukas Ohlburg .Hamburg, 1987. S. 58

Miniexplosionen in der Küche – Thermodynamische Aspekte von Popcorn

H. Joachim Schlichting, Christian Ucke. Physik in unserer Zeit 51/6 (2020), S. 302 – 304)

Puffmaiskörner verhalten sich bei Zufuhr von Wärme wie kleine Dampfkessel. Das in ihnen vorhandene Wasser verdampft teilweise und führt schließlich zur Explosion der Körner, wobei die geschmolzene Stärke zu einem Schaum aufgeblasen wird.  

Wer sich im Kino an den Geräuschen stört, die mit dem Verzehr von Popcorn bzw. Puffreis einhergehen, sollte sich vielleicht damit trösten, dass diese luftigen und leichten Gebilde den größten Krach bereits hinter sich haben. Den geben sie bei ihrer Geburt von sich, wenn sie mit einem vernehmlichen dumpfen Knall aus einem unscheinbaren Maiskorn hervorgehen. Das dabei vermittelte Gefühl, es mit relativ viel Energie zu tun zu haben, erscheint durchaus gerechtfertigt. Denn die steinharten Körner, an denen man sich ansonsten die Zähne ausbeißen würde, geben sich erst unter großer Hitzeeinwirkung bei einer Temperatur von etwa 180° C geschlagen. Dann blähen sie sich schlagartig zu einem zerfurchtes pilzartigen Gebilde auf, das nicht die geringste Ähnlichkeit mit dem ursprünglichen Korn aufweist. Lediglich die kleinen braunen Einsprengsel erinnern an die Außenhaut der Körner…

PDF: Miniexplosionen in der Küche

Manuskript der Einreichversion beim Autor erhältlich (schlichting@uni-muenster.de)

Ein trockenes Loch im Tröpfchenbelag

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 51/6 (2020), S. 308

Ein vor einer kalten Fensterscheibe befindliches Hindernis ermöglicht eine Visualisierung der Strömung wärmerer Luft. Weiterlesen

Späte Prachtkerze im Tropfengewand

Diese Blüte einer Prachtkerze sieht zwar tropfenbehängt etwas traurig aus, obwohl sie bis jetzt keine Anstalten macht, das Blühen jahreszeitbedingt aufzugeben. Schaut man sich einige Wassertropfen etwas genauer an, so könnte man den Eindruck gewinnen, dass sich die Blüte mit auffallend vielen dieser Klunker behängt hat. Insbesondere der untere Tropfen erinnert an ein sorgfältig eingefasstes Schmuckstück – Bergkristall vielleicht.
Dass das Regenwasser nicht einfach an der Pflanze und ihren Blüten abperlt, hat vor allem zwei Ursachen. Zum einen nehmen Wasserportionen unter dem Einfluss ihrer Grenzflächenspannung mit der Luft die kleinstmögliche Oberfläche ein, um Energie zu sparen. Im Idealfall wäre das die Kugelgestalt. Doch die Erde (Schwerkraft) zerrt an den so entstandenen Tropfen und führt zu mehr oder weniger großen Abweichungen. Zum anderen sind die Pflanze und ihre Blüten wasserliebend. Das heißt, die gemeinsame Grenzfläche zwischen Pflanze und Wasser erfordert weniger Energie als die zwischen Wasser und Luft. Daher haften die Wassertropfen bis zu einer bestimmten Größe noch lange an der Pflanze und lassen sie je nach Stimmung schön und traurig oder schön und fröhlich erscheinen.

Grüne Blätter im Herbst

Hier hat es ein Baum nicht nötig wie die Nachbarn die Energie aus dem Blattgrün in Sicherheit zu bringen. Er lässt die Blätter fallen so wie sie sind. Die grünen Farbtupfer im vorherrschenden Gelb und Rot haben jedoch einen ästhetischen Reiz.

Kleine Wassertropfen ganz groß

Wassertropfen umgeben uns allenthalben im Alltag. Auf dem Foto sieht man einige, an Spinnfäden hängende Tropfen im Vergleich zu einem etwa 2 Millimeter dicken Draht, der als Maßstab für die Einschätzung der Größe der anderen Tropfen dienen kann (zur Vergrößerung auf Bild klicken). Es zeigt sich, dass die Tropfen, die einen kleineren Durchmesser als der Draht haben, so gut wie kugelrund sind, wenn man einmal von kleinen Spitzen absieht, die durch teilweise unsichtbare Spinnfäden bedingt sind, an denen die Tropfen hängen. Weiterlesen

Selbstabbildung der Natur – Ringe und Kreuze

Ein Stein fällt in ein Becken mit Wasser, reißt eine Portion Luft mit sich, die in Form von vier (Halb-) Blasen an die Oberfläche steigen und hier einige Zeit verbringen (siehe Foto).
Schon platzt die erste Blase. Sie wäre einfach weg, wenn nicht die Sonne die dadurch ausgelösten direkt nicht zu sehenden Wellenbewegungen auf dem Wasser auf dem Grund des Beckens abbilden würde. Dort sieht man ein eindrucksvolles System heller und dunkler Ringe. Sie entstehen dadurch, dass das Sonnenlicht an den Wellen gebrochen wird, sodass die Wellenberge wie ringförmige Sammellinsen wirken, während die Wellentäler das Licht ringförmig streuen. Weiterlesen

Die entnetzende Wirkung eines Vogelschiss‘

Bei einem leichten Regen waren die Fliesen der Terrasse mit einem Wasserfilm benetzt. Die leicht abschüssige Terrasse sorgte dafür, dass nur eine dünne Wasserschicht auf den wasserliebenden (hydrophilen) Fliesen verblieb. Lediglich an einer Stelle, an der ein Vogel seinen Schiss hinterlassen hatte, blieb es trocken. Interessanterweise wurde nicht nur die Auftreffstelle des Kots wasserfrei, sondern in einem bestimmten Umkreis kam es zu einer vollständigen Entnetzung der getroffenen Fliese (siehe Foto).
Offenbar hatte sich ein wasserentspannender Bestandteil um den eigentlichen Fleck herum ausgebreitet und das Wasser verdrängt.
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Entnetzung – Löcher im Wasserfilm

Beim Duschen beobachte ich seit einiger Zeit das folgende auf den ersten Blick merkwürdig erscheinende Phänomen. Immer dann, wenn ein kleiner Fladen Seifenschaum auf den nassen, d.h. mit einer dünnen Wasserschicht bedeckten Fliesenboden fällt, entsteht darin ein „Loch“, das als rundes trockenes Gebiet mit einem deutlichen Rand in Erscheinung tritt. Das Gebiet ist knochentrocken, was nicht nur an der stumpfer gewordenen Farbe zu erkennen ist, sondern auch mit dem trockenen Finger erspürt werden dann. Weiterlesen

Wenn Schnecken stricheln…

Schnecken hinterlassen bekanntlich eine Schleimspur – einen schmalen Teppich, den sie sich selbst auslegen. So haben sie den Vorteil, unabhängig von beliebigen Geländestrukturen ihres Weges zu gehen. Diese Hinterlassenschaft fällt besonders dann auf, wenn sie im Licht der Sonne glänzt und oft in den schönsten Farben irisiert. Weiterlesen

Radfahren kommt dem Flug der Vögel am nächsten*

Ein Fahrrad will bewegt werden. Im Ruhezustand kippt es um, muss gestützt werden und sieht kümmerlich und hilflos aus. Erst in der Bewegung erwacht es zum Leben. Und selbst der älteste Klepper entfaltet dann eine unerklärliche Grazie.
Obwohl man das Fahrradfahren physikalisch erklären kann, bleibt der wesentliche Teil des Geheimnisses davon unberührt, der darin besteht, dass es funktioniert.
Frei nach Loriot ist ein Leben ohne Fahrrad zwar möglich, aber sinnlos.
Daher bedaure ich jene Leute, die auf dem Weg ins Fitness-Studio im Stau stehen, um sich dort auf ein invalides Fahrrad ohne Räder zu setzen und sich nicht von der Stelle zu rühren.

Weitere Beiträge zum Fahrrad findet man hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier und hier… Ihr seht, ich mag das Fahrrad(fahren).


* Louis J. Halle (1910 – 1998)  US-amerikanischer Naturforscher und Autor

Physik des Karussellkreisels – Doppeltes Drehspiel

Christian Ucke, Hans Joachim Schlichting. Physik in unser Zeit 51/3 (2020). S. 138-140

Kreisel müssen nicht unbedingt mit der Spitze auf einer festen Unterlage rotieren. Im hier vorgestellten Spielzeug bringen zwei hängende Kreisel durch eine raffinierte Reibungskopplung eine drehbar gelagerte Stange in Rotation, indem diese Drehimpuls von den Kreiseln übernimmt.

Der in der Abbildung 1  gezeigte Karussellkreisel besteht aus einem Ständer mit einer konkaven Einbuchtung oben, einer Haltestange sowie zwei daran angehängten Kreiseln. Die klassischen, per Hand anzudrehenden Holzkreisel enthalten in der Achse einen dünnen, zylindrischen Magneten, dessen ebene Stirnfläche mit dem Kreiselstiel oben abschließt. Die Haltestange hat mittig einen kurzen Stift mit einer kleinen Stahlkugel von ungefähr 2 mm Durchmesser am Ende, der in der konkaven Einbuchtung frei drehbar lagert. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2020

Warum ist einer der Kondensstreifen rot? Weiterlesen

Kekse Tunken zum 2. Advent

Abbé Montret tauchte zwei Kekse auf einmal in sein Glas
und schnappte sie gierig auf, bevor sie sich in der Flüssigkeit auflösten  und im Glas verschwinden konnten.
Pascal Quignard*

Einen Keks in den Tee oder Kaffee zu tunken, entspricht nicht den allgemein akzeptierten Tischmanieren. Vielleicht nur deshalb, weil dabei leicht „Unfälle“ passieren können, bei denen die weiche und anhängliche Keksmaterie an Stellen geraten kann, wo sie nicht hingehört. Denn der eingetunkte und dadurch mehr oder weniger stark aufgeweichte Keks (wenn man denn überhaupt noch von „Keks“ sprechen kann) birgt die Gefahr entweder im Getränk zu versinken, was ein späteres Auslöffeln der Kekssuppe nach sich ziehen würde, oder auf dem Wege zum Mund unter dem eigenen Gewicht zu zerfallen und vom noch harten Teil, an dem er angefasst wird, abzufallen. Weiterlesen

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