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Adhäsion

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Selbstaufzeichnung von Schmutzbahnen

Eine unangenehme Eigenschaft von Schmutz besteht darin, dass er oft ziemlich anhänglich ist. Er bleibt an den Schuhen, an den Reifen und fast an allem hängen, wenn er nicht aktiv daran gehindert wird. Schaut man sich Oldtimer-Autos an, so mag ja vieles an ihnen fehlen, aber Kotflügel findet man fast immer. Selbst die Pferdekutschen hatten bereits solche, auch wenn die „Flügel“ heute weniger vor Kot schützen als vor Dreck ganz allgemein. Dabei besteht dieser Dreck vor allem aus Staub, Erde, Sand, die mit Wasser vermengt eine klebrige Masse – Matsch – ergeben.
Die Ursache für diese Anhänglichkeit ist vor allem die Wasserliebe (Hydrophilie) des Straßendrecks einerseits und der Karosserie des Autos andererseits. Wenn man durch Matsch fährt, bleibt dieser zum Teil an den Reifen kleben. Das liegt daran, dass das Reifenmaterial ebenso wasserliebend ist wie der Dreck, der mit Wasser zusammen eine Art Kleister bildet.
Wenn sich die Reifen drehen, wird der anhaftende Schmutz ebenfalls auf die Rundreise geschickt. Aber nur bei kleinen Geschwindigkeit. Bei höherer Drehzahl, löst sich der Schmutz. Um das zu verstehen, müssen wir kurz auf den physikalischen Trägheitssatz zu sprechen kommen. Demnach bleibt ein Körper in Ruhe oder gleichförmiger Bewegung (bewegt sich also mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus), wenn er durch keine Kraft daran gehindert wird. Der mit den Reifen in Bewegung gesetzte Schmutz wird auf eine Rundreise gezwungen. Das macht er aber nur solange mit, wie die Adhäsionskraft ausreicht, die Kraft mit der der Schmutz vom drehenden Reifen zum Zentrum der Drehbewegung gezogen wird, zu kompensieren. Da diese sogenannte Zentripetalkraft mit der Geschwindigkeit zunimmt, die Adhäsionskraft aber konstant ist, kommt es schließlich zur Trennung von Reifen und Schmutz. Auf diese Weise sich selbst überlassen bewegt sich der Schmutz geradlinig gleichförmig weiter und entfernt sich tangential vom Reifen. Die Kotflügel sind dazu da, den sich entfernenden Schmutz aufzufangen. Dabei kann es passieren, dass insbesondere bei Kurvenfahrten ein Teil streifend an der Karosserie entlang schleift und teilweise haften bleibt. Dadurch werden die geraden Bahnen gewissermaßen aufzeichnet (siehe Foto).
Genau genommen ist der Weg des frei gewordenen Schmutzes auch nicht ganz gerade und gleichförmig. Denn sobald er den Reifen verlassen hat, macht sich die Erdanziehungskraft bemerkbar, durch die er auf eine Bahn des schiefen Wurfs gezwungen wird. Aber diese Kraft ist vergleichsweise so gering, dass die Bahnkrümmung auf dem kurzen Weg bis zum Kotflügel nicht zu sehen wäre. Nur wenn der Kotflügel fehlte, würde der schräg nach oben startende Schmutz im hohen Bogen wieder zur Erde oder vorher auf andere Verkehrsteilnehmer zurückkommen. Dabei hätte er abermals Gelegenheit, seine Anhänglichkeit unter Beweis zu stellen.
Doch kaum einer interessiert sich für die spannende Geschichte des Schmutzes und die rühmliche Rolle, die ein Kotflügel spielt…

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Rätselfoto des Monats Dezember 2021

Wie kommt es zu dieser geraden Begrenzung der Reifschicht?


Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2021

Frage: Warum krümmt sich der Strahl?

Antwort: Das ist eine alte Frage und hat zu zahlreichen Erklärungen geführt. Neueren Untersuchungen zufolge spielt die Benetzbarkeit (Hydrophilie) des Tüllenmaterials, die bei üblichen Teekannen verhältnismäßig groß ist, die entscheidende Rolle bei der Krümmung der Flüssigkeitsströmung. Die Stärke der Benetzbarkeit kann durch den sich zwischen Tülle und Flüssigkeit einstellenden sogenannten Kontaktwinkel charakterisiert werden. Ein kleiner Kontaktwinkel weist auf eine starke Anziehung (Adhäsionskraft) hin. Wenn die Flüssigkeit über die nach unten gekrümmte Tülle strömt, tendiert sie einerseits aufgrund der Trägheitskraft dazu, ihre Richtung beizubehalten. Andererseits wird sie aufgrund der Adhäsionskraft von der Tülle „festgehalten“ und folgt ihrer Krümmung. Da die Trägheitskraft mit der Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, überwiegen die Adhäsionskraft und damit die Krümmung umso mehr, je langsamer die Flüssigkeit strömt. Beim vorsichtigen Einschenken des Tees wird dieser also auch gegen die Schwerkraft zur Kanne hin gekrümmt. Erreicht der Strom dabei den ebenfalls hydrophilen Kannenhals, wird der Strahl durch diesen angezogen und bildet den im Foto zu sehenden gekrümmten Strahl aus.
Die beste Möglichkeit zur Vermeidung des Teekanneneffekts besteht demnach darin, die Teekannentülle aus Material mit einer geringen Benetzbarkeit (hydrophob) zu fertigen, was durch entsprechende Beschichtungen erreicht werden könnte.

Regentropfen auf der Achterbahn

Es lohnt sich im leichten Nieselregen die Tropfenbildung auf Blättern und Trieben zu beobachten. Wasserliebende (hydrophile) Pflanzen halten die winzigen Tröpfchen zunächst durch die Adhäsionskraft fest. Da sich Wassertröpfchen selbst am meisten lieben, fließen benachbarte Tröpfchen zusammen und bilden größere Tropfen. Je größer/schwerer der Tropfen, desto mehr macht sich die Schwerkraft bemerkbar. Das führt dann dazu, dass die Tropfen sich schließlich in Bewegung setzen und sich in Richtung tiefster Stelle bewegen. Dort bleiben sie meist nicht lange, weil sie weiter wachsen, bis die Schwerkraft die Adhäsionskraft überwindet und die Tropfen zu Fall bringt. Vorher bilden sie aber die Umgebung ihrer Kleinheit entsprechend en miniature ab.

Abbildung einer Linse aus Wasser

Wenn Wasser sich zum Beispiel an/auf dem Teil einer wasserliebenden Pflanze sammelt, bildet es einen Tropfen, um die Oberfläche so klein wie möglich zu machen. Der Tropfen wird von den meisten Blättern bis zu einer bestimmten Größe „gehalten“, weil die Grenzfläche mit dem Blatt weniger Energie erfordert als mit der Luft. Doch die Schwerkraft ist allenthalben wirksam. Je größer der Tropfen und damit seine Masse werden, desto stärker macht sich diese bemerkbar. Der Tropfen wird in die Länge gezogen bis die Schwerkraft größer ist als die Adhäsionskraft mit der Pflanze. Der Tropfen fällt.
Soweit zur Vorgeschichte dieses Fotos. Denn hier hat sich ein sehr großer Tropfen zwischen den Früchten (?) einer Pflanze gebildet. Weil der Tropfen gleich von mehreren Seiten gehalten wird, nimmt er eine eindrucksvolle Größe an.
Das wiederum qualifiziert den Tropfen zu einer entsprechend großen Sammellinse, durch die die Umgebung verkleinert und kopfstehend abgebildet wird. Die Verkleinerung hat den Vorteil, dass wir durch die Wasserlinse blickend einen größeren Bereich der dahinter befindlichen Pflanzenteile überblicken können.
Soweit zur Physik. Aufgefallen ist mir dieses Detail allerdings aus anderen Gründen. Es sah einfach schön aus – das Zusammenspiel der filigranen verkleinerten Strukturen mit den Strukturen normaler Größe.

Rätselfoto des Monats Juli 2021

Was hält die Burg zusammen?


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Die Wände hochgehen

Vor kurzem saß eine Schnake auf der Fensterscheibe direkt vor meinem Schreibtisch. Sie hatte eine ästhetisch ansprechende Position eingenommen, in der ihre sechs Beine in fast symmetrischer Anordnung ausgestreckt sind (Foto). Die Gelenke zwischen den einzelnen Gliedern der Beine sind aufgrund der Verdickungen sehr gut zu erkennen. Und die transparenten Flügel stellen die ansonsten kaum zu erkennende schöne Musterung im Tiffany-Stil in eindrucksvoller Weise zur Schau.
Als ich nach längerer Zeit versuchte sie wegzuscheuchen, indem ich in immer hektisch werdender Weise meine Hand von innen annäherte und schließlich sogar an die Scheibe klopfte, rührte sie sich nicht vom Fleck. Erst als ich das Fenster öffnete und nunmehr meine Hand ganz real auf sie zu vewegte, schickte sie sich an fortzuflattern. Weiterlesen

Fenster im leichten Schneegestöber

Wenn Schnee oder Graupel ans Fenster schlagen kann man oft einen interessanten Wachstums- und Strukturbildungsvorgang beobachten, insbesondere dann, wenn die Außentemperaturen nicht zu niedrig und die Raumtemperatur einigermaßen hoch ist. Der Schnee haftet zunächst an der Scheibe, beginnt durch die Scheibe erwärmt zu schmelzen und auf dem dadurch entstandenen „Schmierfilm“ durch die Gravitationskraft beflügelt abzugleiten. Der Vorgang vorläuft manchmal sehr langsam, weil die Adhäsionskraft zwischen Wasserfilm und Scheibe am oberen Ende überwunden und am unteren Ende neu gebildet werden muss. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats November 2018

Warum rotiert die Kugel fast reibungsfrei? Weiterlesen

Alle Fäden in der Hand halten …

Bevor der Mensch das Weben und damit die Fähigkeit erlernte, alle Fäden in der Hand zu halten, war dieses Handwerk den Spinnen vorbehalten. Wir bewundern nicht nur ihre Kunst, ästhetische ansprechende Netze zu entwerfen, in denen sie ihre Beute fangen. Noch beeindruckender ist meines Erachtens ihr Geschick, mit dem sie im selben Netz surfen, ohne an denselben Klebetröpfchen hängen zu bleiben, die allen anderen Insekten zum Verhängnis werden. Weiterlesen

Anhänglicher Schnee

img_0263rvSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 2 (2017) S. 58 – 59

Schnee, der sich leicht ballen läßt,
schmilzt bald.
Jean Paul (1763–1825)

Eiskristalle haften gut aneinander – dafür sorgt flüssiges Wasser. Einerseits wirkt es bei Tauwetter durch Kapillarkräfte im Flockengeäst. Andererseits benetzt selbst bei starken Minusgraden eine feuchte Schicht die Oberflächen und klebt diese direkt zusammen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats September 2015

116_Tropfenbelastete-Pflanzen

Warum „sammelt“ das Gras so viel Wasser?

Erklärung zum Rätselfoto vom Vormonat: Heiligenschein im klaren Wasser

Das Ende des Teekanneneffekts

TeekanneneffektH. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2015) S. 48 – 50

Es erscheint fast schon als Naturgesetz, dass Tee- und Kaffeekannen tropfen. Nun versprechen hydrophobe Tüllen Abhilfe.

»Gott erschuf die Festkörper,
aber der Teufel die Oberflächen.«
Wolfgang Pauli (1900 – 1958)

PDF: Das Ende des Teekanneneffekts

Rätselfoto des Monats Oktober 2014

spuren2Welcher „Künstler“ ist für diese ästhetisch ansprechenden Muster verantwortlich?

Erklärung des Rätselfotos des Vormonats: Irisierendes Leuchten des Labradorit

Stämme mit weißen Streifen

IMG_6649rv„In die Mitte der Stämme hat der Wind senkrecht weiße Streifen gemalt, angewehter Schnee, der nur auf einer Baumseite haftengeblieben ist. So sieht also der Winter aus: eine Verzierung? Eine Markierung? Eine Schrittfederung, eine Blendung, ein gnädiges In-Schweigen-Hüllen der Welt. Auf dem Weg, Eiswasserpfützen, Spuren von Mensch und Tier. Hunde drücken die vier mal fünf kleinen Polster ihrer Pfoten in das weiße Stempelkissen; ihr Urin brennt gelbe Löcher in die makellose Schneedecke. In den Baumkronen hängt zäher Nebel, als sei eine dicke Wolke nach langem Ringen plötzlich der Schwerkraft unterlegen und hier über diesem Wald, in die zum Himmel ausgestreckten, nackten, spitzen Äste wie in eine Nadelkissen abgestürzt. Da hängt sie nun und regt sich nicht, die Vögel sitzen am Boden und ziehen an übriggebliebenen Grashalmen, Stare fliegen auf, in einem Busch ist eine Blaumeise zugange; lauter unruhige, zarte, unauffällige Wunder.“

Weber, Anne; Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004; ISBN: 3-518-41606-5; S. 38

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