Anziehung

Staubflusen – die kleinen Helfer.

Staub zeichnet sich dadurch aus, dass er kaum sichtbar sich auf alle Gegenstände niederlässt. Da Staubteilchen nur eine äußerst geringe Masse haben, ist wegen der Flächen-Volumen-Relation die Reibungskraft der Luft so groß, dass sie nur langsam sinken aber auch umgekehrt durch leichte Luftbewegungen wieder aufgewirbelt werden können.
Letzlich landet der meiste Staub auf waagerechten Flächen vor allem auf dem Fußboden. Dennoch verfügen diese Flächen über kleine Helfer, die angetrieben durch leichte Luftbewegungen einen großen Teil des Staubs einsammeln – die Flusen. Flusen setzen sich aus Haaren winzigen Resten von Textilien und ähnlichen Strukturen zusammen und haben die Eigenschaft anziehend auf den ordinären Staub zu wirken. Sie nehmen die kleinen Körnchen, die sich oft in ihrer Winzigkeit verstecken, bereitwillig auf und wachsen dadurch so stark an, dass sie schließlich nicht mehr übersehen werden können. Ein Bekannter von mir verriet mir, dass er diese kleinen „Staubsauger“ sehr schätze. Wenn sie eine bestimmte Größe erreicht hätten, brauchte er sie nur noch einzusammeln. Das sei schnell getan, geräuschlos und auch noch interessant. „Was du da für eindrucksvolle Strukturen zu sehen bekommst – einfach eindrucksvoll und vor allem Zeugnisse von der Kreativität der Natur“.
Mir ist zwar (noch) nicht ganz klar, welche Anziehungskräfte hier im Spiel sind, aber ich vermute, es sind elektrostatische. Aber davon vielleicht später.

Blasen aus dem Untergrund

In einer äußerlich normalen Pfütze sah ich dieses Muster aus Blasen. Genau genommen sind es keine idealen Blasen, weil sie aus zwei Teilen bestehen, von denen der größere Teil in die Luft ragt und ein kleinerer ins Wasser. Letzteres muss man gar nicht direkt sehen, man kann es erschließen. Denn um eine halbwegs straffe Blase zu sein, muss das Gas im Innern einen höheren Druck haben als der der äußere Luftdruck. Dadurch wird das Wasser entsprechend eingedellt.
Die Blasen vereinigen sich hier in Form eines polygonalen Musters. Am liebsten wäre es ein hexagonale Muster geworden, weil dadurch die kleinste Oberfläche bedeckt worden wäre, was der kleinsten Oberflächenenergie entspricht. Denn die Natur tendiert dazu so viel Energie wie unter den jeweils gegeben Bedingungen möglich an die Umgebung abzugaber. Dazu müssten u. A. die Blasen gleich groß sein. Sind sie aber nicht. Und das hat mit ihrem Ursprung zu tun, die Art und Weise, wie sie aufgeblasen werden. Auf dem Grund der Pfütze lagern vermutlich biologisch aktive Substanzen, wie etwa Algen. Diese geben Gase ab, die meist unbemerkt zur Oberfläche aufsteigen und dort allmählich sichtbare Blasen aufblasen.
Die Blasen sind von einem weißen Ring umgeben. Auch das sind Blasen – Miniblasen. Sie sind deshalb weiß, weil sich die von ihnen ausgehendne Lichtstrahlen mischen und kein auflösbares Bild im Auge erzeugen. Ähnlich verhält es sich ja mit den transparenten Eiskristallen, aus denen der Schnee besteht, auch er sieht weiß aus.
Die Blasen scheinen einen gewissen Abstand zu den Nachbarn zu bewahren. Das sieht aber nur so aus. Denn die Blasen reichen über den durch die Miniblasen gekennzeichneten Bereich hinaus. Sie werden vom Wasser benetzt, das ein stückweit an ihren Wänden hochgezogen wird. Auf dieser konkaven „Kehle“ hocken die von den großen Blasen angezogenen Miniblasen.

Zu besonders kuriosen Phänomenen kann es kommen, wenn die Blasen unter einer Eisfläche aufsteigen.

Spiele mit Magnetkugeln

Auf dem Foto sieht man einen Zylinder, den ich aus einzelnen Magnetkugeln zusammengesetzt habe. Abgesehen davon, dass man dabei wie bei der Herstellung anderer puzzleartiger Gebilde vor allem Geduld lernt, gibt es weitere interessante Einblicke und Einsichten. Und damit meine ich nicht nur den stolzen Blick durch die Röhre, wenn sie denn endlich fertig ist.
Man lernt zumindest auf der Ebene des Umgangs mit vielen Magneten etwas über ihre Widerspenstigkeit. Sie ziehen sich nämlich nicht nur an, sondern stoßen sich auch ab, je nachdem wie sie sich annähern. Und wenn mehr als zwei Magneten im Spiel sind, dann erfährt man auch, wie Kompromisse in einer Form aussehen, bei der Gefühle und Animositäten sicherlich keine Rolle spielen – jedenfalls nicht die der Magnetkugeln. Irgendwann hat man den Bogen raus in Form einer Baustrategie und dann kann es schließlich sehr schnell gehen, bis der Zylinder steht oder sogar rollt.
Da die Kugeln alle spiegelnd sind, nehmen sie die Farben der Gegenstände an, die sie nach dem Reflexionsgesetz in unsere Augen senden. Um die Verhältnisse dabei möglichst einfach zu halten, habe ich das Konstrukt auf eine rote Fläche gelegt und prompt den Eindruck, dass in der ansonsten sehr gleich- und gesetzmäßig aufgebauten Rolle Defekte aufzutreten scheinen. Zum einen sehen einige Kugeln im Vordergrund so aus, als wären sie mit einem hexagonalen Muster winziger Dellen gesprenkelt – ähnlich wie bei Billardbällen (zum Vergrößern klicken). Zum anderen scheint es so als würde der einen oder anderen Kugel ein Stück fehlen und man blickte durch die Fehlstellen direkt auf den roten Untergrund.. Doch in beiden Fällen handelt es sich um Spiegelungen des aus der Umgebung stammenden Lichts. Die scheinbaren Dellen sind Abbilder gegenüberliegender Kugeln. Und die scheinbar fehlenden Stücke, durch die man direkt auf den Untergrund zu schauen vermeint,  sind Spiegelungen des Untergrunds. Man muss schon genau hinschauen, um sich zu vergewissern, was wohin gehört, was real und was nur vorgespiegelt ist.
Manchmal denke ich, dass uns das Alltagsleben im übertragenen Sinn zuweilen vor ähnliche Probleme stellt.

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 →

Magnetkugeln küssen anders

Wenn man sechs gleich große Kugeln, um eine siebte gruppiert, so wird diese von jeder der anderen Kugeln in einem Punkt berührt. Diese minimale Einheit einer hexagonal dichtesten Kugelpackung in der Ebene hat – mathematisch und zugleich poetisch ausgedrückt – die Kusszahl 6 (oberes Foto). Versucht man die Konstellation mit Magnetkugeln nachzustellen, so gelingt es zwar auch, aber weniger freiwillig, als man vielleicht erwarten würde. Weiterlesen →

Münzen – aus der Reihe tanzend

Geld übt von jeher einen großen Reiz auf die Menschen aus. Ihm werden oft magische Kräfte zugeschrieben. Wen wundert es da, dass die Münzen auf dem Foto der Schwerkraft trotzen und ihren eigenen Regeln folgen.
Alles begann damit, dass sie sich selbst versilberten.

Die magnetische Kerzenflamme

Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 48/6 (2017), S.305 – 306.

Die seit einigen Jahren auf dem Markt befindlichen Supermagnete sind so stark, dass Experimente am Schreibtisch möglich werden, für die früher in Laboren einiger Aufwand getrieben werden musste. Unter ihrem Einfluss werden sogar Flammen magnetisch. Weiterlesen →

Anziehungskraft des Meeres

Aber, schau mal, … da sind neue Sonntagsbummler angekommen, sie gehen geradeswegs gegen das Wasser vor, als ob sie hineintauchen möchten. Wie erstaunlich… Sie könnten behaglich umherschlendern im Windschatten der Lagerhäuser da drüben, – doch das genügt ihnen nicht. Sie geben sich erst zufrieden, wenn sie die äußersten Punkte des Festlandes erreicht haben. Sie müssen so nah ans Wasser, daß sie fast hineinfallen. So kann man sie stehen sehen, meilenweit, diese Leute aus dem Landesinnern. Sie kommen auf Wegen, Alleen, Straßen und Chausseen von Norden, von Osten, Süd und West – hier sind sie brüderlich vereinigt. Wie kommt das? Ist es vielleicht die magnetische Kraft der Kompaßnadeln all der vielen Schiffe, welche sie anzieht? (aus: Melville, Hermann: Sehnsucht nach Wasser)

Gleich und gleich gesellt sich gern

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/8 (2012), S. 49-51

Objekte, die auf Wasseroberflächen schwimmen, verhalten sich oft unerwartet. Verantwortlich dafür sind die beteiligten Grenzflächenenergien.

Vielleicht ist viel mehr an der Oberfläche –
vielleicht ist alles falsch, was nicht Oberfläche ist?
Elias Canetti (1905 – 1994)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/gleich-und-gleich-gesellt-sich-gern/1155296

Magnetische Taschenspielertricks

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 10 (2009), S. 38

Warum Magnete abgebrannte Streichhölzer anziehen, hingegen von Kirschen als abstoßend empfunden werden.

Um in der Lehre vom Magnetismus weiter zu kommen,
müßte man Magnete machen,
die sich zu gewöhnlichen verhielten,
wie Herschels großes Teleskop zu einem Taschen-Perspectiv.

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Zu Beginn des Zeitalters des Elektromagnetismus vermutete Georg Christoph Lichtenberg die Existenz verborgener magnetischer Phänomene, die nur deshalb verborgen blieben, weil die damaligen Magnete zu klein waren. Er behielt Recht, denn große, also vor allem starke Magnete sollten in der Folgezeit wesentlich helfen, das Verständnis der elektromagnetischen Kräfte zu erweitern. Heute sind »Supermagnete« im Miniaturformat aus Neodym-Eisen-Bor (NeFeB) für jedermann erschwinglich, etwa bei supermagnete.de. Sie lassen uns einen Hauch des Zaubers wiederentdecken, der, wie Lichtenberg schrieb, den Anfängen innewohnte, »da der Magnet selbst (…) nur den Taschenspielern diente«. Jetzt können wir nämlich feststellen, dass ein Streichholz mit einem dunklen Köpfchen, das sich sonst nicht weiter um Magnete schert, plötzlich daran haften bleibt, sobald sein Kopf abgebrannt ist.
Wie kann das sein? Die Angelegenheit erweist sich als raffiniert. Zwar ist Eisenoxid, Fe₂O₃, von Anfang an im Streichholzkopf vorhanden. Allerdings ist es paramagnetisch, also nur dann magnetisch, wenn ein äußeres Magnetfeld einwirkt. Sein magnetisches Moment ist aber offenbar zu klein, als dass es sich vom Magneten zu einer sichtbaren Reaktion veranlassen ließe. Einer Idee Michael Worbs’ zufolge entsteht während der Verbrennung jedoch möglicherweise Magnetit, Fe₃O₄, denn schließlich ist auch Schwefel mit im Spiel: 6FeO+ S -> 4 FeO+ SO. Das ferrimagnetische Magnetit – in ihm sind die Elementarmagnete so ausgerichtet, dass sich ihre magnetischen Momente zum Teil aufheben, eine Richtung aber überwiegt – besitzt ein viel größeres resultierendes Moment als Fe₂O₃ und kann die Gewichtskraft des Hölzchens durch seine Anziehungskraft kompensieren.
Diese Idee stützt der Befund, dass ein nicht verbranntes Streichholzköpfchen durchaus reagiert, wenn man es nämlich in winzige Bruchstücke zerkleinert. Hält man über die Teilchen nun einen Supermagneten, so springen sie ihn an wie Flöhe und bleiben haften.
Woher aber dieser Sinneswandel? Dank der Verkleinerung des Volumens (das mit der dritten Potenz sinkt) nimmt die Gewichtskraft stärker ab als die Fläche (nur mit der zweiten Potenz), die den Magneten berührt. Da die magnetische Anziehungskraft wiederum mit der Fläche, genauer: der Zahl der magnetischen Feldlinien, variiert, nimmt sie weniger stark ab als die Gewichtskraft – das zerbröselte Zündmaterial wird schließlich getragen.
Befestigt man zwei Kirschen an den Enden eines an einem Faden hängenden Stäbchens und bringt dieses sorgfältig ins Gleichgewicht, lässt sich auch mit diesen zaubern. Nähert man einer von ihnen nun einen Supermagneten an, wird sie abgestoßen. Von der anderen Seite kommend kann man die Kirschenschaukel auch wieder abbremsen und sie in die umgekehrte Richtung treiben. Schuld ist allein das in den Früchten reichlich vorhandene diamagnetische Wasser: Denn ein Diamagnet erzeugt unter dem Einfluss eines Magneten ein das Feld schwächendes Gegenmoment. So tut die Kirsche das Klügste, was sie tun kann: Sie wehrt sich gegen das Eindringen der Magnetfeldlinien, indem sie flüchtet.

Literaturhinweis: Worbs, M.: »Du, Papa, warum sind Streichhölzer magnetisch?« In: Praxis der Naturwissenschaft 58(4), S. 45 – 46, 2009.

Oberflächliche Attraktionen. Naturphänomene, die sich der Minimierung der Oberfläche verdanken.

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften. Physik in der Schule 55/3 (2006) 2 – 6

Wenn Tannennadeln in eine Pfütze oder einen Teich fallen, wird man sie über kurz oder lang fein säuberlich gepackt in mehr oder weniger großen Flößen auf dem Wasser driften sehen. Kaum jemals trifft man einzelne Nadeln an, es sei denn, sie sind gerade hineingefallen und hatten noch keine Gelegenheit, sich einem Nadelfloß anzuschließen.

Auch Blasen, die zum Beispiel entstehen, wenn aus einem Rohr Wasser in ein Becken strömt, vereinigen sich stets zu mehr oder weniger großen Blasenflößen…

PDF: Oberflächliche Attraktionen. Naturphänomene, die sich der Minimierung der Oberfläche verdanken.Oberflächliche Attraktionen.

Attraktive Kugeln

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit, 36/5, 243 (2005).

Fast jeder kennt die Klick-Klack-Maschine, auch Newtons-Cradle genannt (Abbildung 1). Prallt eine Kugel gegen eine Reihe sich berührender Kugeln, so bleibt sie nach dem Stoß stehen, und die letzte Kugel am anderen Ende setzt die Bewegung mit etwa der gleichen Geschwindigkeit fort, mit der die erste auf die Reihe prallte. Dies demonstriert Impuls- und Energieerhaltungssatz. Es gibt jedoch eine Variante, in der die Energieerhaltung verletzt zu sein scheint.

PDF: Attraktive Kugeln

Magnetische Levitation

Scharlau, Bernd; Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Deutsche Physikalische Gesellschaft (Hrsg.): Didaktik der Physik. Augsburg 2003. Berlin:
Lehmanns 2003.

Jeder der schon einmal versucht hat, einen Permanentmagneten über einem anderen zum berührungsfreien Schweben zu bringen, wird die praktische Unmöglichkeit des Unterfangens festgestellt haben. Wer das Earnshaw-Theorem kennt, weiß, dass dies auch praktisch nicht möglich ist. Umso erstaunter wird er sein, dass ein Diamagnet nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch über Magneten zum freien Schweben gebracht werden kann.
Es werden einige verblüffende Experimente zum diamagnetischen Schweben demonstriert.

PDF: Magnetische Levitation

Die Magnetschnellbahn Transrapid im Experiment

Markus Uhlenbrock; Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: MNU 53/4, 220-226 (2000).

Die Magnetschnellbahn Transrapid ist die bekannteste Anwendung des Linearmotors als Fahrzeugantrieb. Ohne die Fahrbahn zu berühren, wird das Fahrzeug von elektromagnetischen Wanderfeldern auf Geschwindigkeiten von über 400 km/h beschleunigt. In einem Demonstrationsexperiment zum Linearmotor mit handelsüblichen Lehrmitteln lassen sich Entstehung und Wirkung von elektromagnetischen Wanderfeldern und somit die Funktionsweise des synchronen Langstator-Linearmotors veranschaulichen.

PDF: Die Magnetschnellbahn Transrapid im Experiment