Auftrieb

Rätselfoto des Monats Oktober 2022

Stimmt alles auf dem Foto?

Erklärung des Rätselfotos des Monats September 2022

Frage: Warum erscheinen die Linien verzerrt?

Antwort: Wenn man nicht schon anderweitig Verdacht geschöpft hat, verrät die Spiegelung der vorderen Kante der Münze, dass sie auf dem Wasser schwimmt. Schwimmen kann sie deshalb, weil sie aus Aluminium besteht. Die Dichte von Aluminium ist so gering, dass die Oberflächenspannung von Wasser ausreicht, die Münze zu „tragen“. Die Münze verdrängt so viel Wasser bis nach dem archimedischen Prinzip die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft der Münze ist. Davon zeugt eine kleine Mulde mit einer konvexen Wand. Sie wirkt wie eine ringförmige konvexe Linse und das durch sie hindurch zu sehende Millimeterpapier erscheint der Lichtbrechung entsprechend verzerrt.

Der Traum vom Fliegen

Der Schneider von Ulm

„Bischof, ich kann fliegen“,
Sagte der Schneider zum Bischof.
„Pass auf, wie ich’s mach‘!“
Und er stieg mit so ’nen Dingen,
Die aussahn wie Schwingen
Auf das große, große Kirchendach.
Der Bischof ging weiter.
„Das sind so lauter Lügen,
Der Mensch ist kein Vogel,
Es wird nie ein Mensch fliegen“,
Sagte der Bischof vom Schneider.

„Der Schneider ist verschieden“,
Sagten die Leute dem Bischof.
„Es war eine Hatz.
Seine Flügel sind zerspellet
Und er lag zerschellet
Auf dem harten, harten Kirchenplatz.“
„Die Glocken sollen läuten,
Es waren nichts als Lügen,
Der Mensch ist kein Vogel,
Es wird nie ein mensch fliegen“,
Sagte der Bischof den Leuten.*

* Bertolt Brecht. Der Schneider von Ulm. In: Gedichte in einem Band. Suhrkamp, Frankfurt am Main 2007,  S. 645.

Die fliegende Bank

Die Idee, ein Fluggerät zu entwickeln, das komplett aus Textilien besteht, ist noch nicht so alt. In der Patentschrift vom  NASA–Ingenieur Francis Rogallo aus dem Jahre 1948 ist bereits das Prinzip beschrieben, wie der Auftrieb des Geräts erzeugt werden soll. Demnach sind „nach vorne offene Stoffröhren parallel nebeneinander angeordnet“, die „durch den Fahrtwind aufgeblasen eine Tragfläche“ bilden. Diese geniale Idee ist in den nächsten Jahrzehnten praktisch umgesetzt worden und hat schließlich vor allem dank immer stabilerer Kunstfasermaterialien zu immer leichteren Realisierungen des Gleitschirms geführt bis hin zu den Formen wie wir sie in den letzten Jahrzehnten vor allem an beliebten Stränden kennengelernt haben.
Dabei beeindruckt mich vor allem, wie schnell der zunächst als anspruchsvolles Sportgerät zum Fliegen benutzte Schirm schließlich zur gemütlichen „Bank“ wurde, in der Oma und Opa nebeneinander sitzend, von einem Boot gezogen über der Meeresbucht schweben, so als wäre es des Selbstverständlichste der Welt (siehe Foto).

Eine Wolke wie ein Pfeil

Aufwärts

An diesem windstillen Tag sieht man schon von weitem eine steil bis in die Wolken reichende vermeintliche Rauchfahne. Aus einem günstigen Blickwinkel (Foto) erkennt man, dass es kein Rauch, sondern Wasserdampf ist, der senkrecht über dem Kühlturm eines Kohlekraftwerks steht. Man kann auch sagen, es ist eine Wolke. Eine besondere Wolke, denn sie ignoriert die diffuse natürliche Bewölkung, die an diesem Tag natürlicherweise vorhanden ist. Ja, sie durchdringt sogar eine kaum als Wolke zu erkennende Schicht wie ein Pfeil, dessen Spitze darüber wieder zum Vorschein kommt.
Diese Konstellation gibt zum einen Hinweise auf die Höhe der Wolken und zum anderen zeigt sie wie schwierig es ist, am bewölkten Himmel die Anordnungen und Entfernungen zwischen den verschiedenen Wolkenschichten einigermaßen plausibel einschätzen zu können.
Der enorme Auftrieb, der sich in dieser Nebelfahne über dem Kühlturm zeigt, weist auf einen deutlichen Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und dem aufsteigenden und sofort kondensierenden Wasserdampf und damit indirekt auch auf die zur Kühlung eines konventionellen Kraftwerks nötigen Energieverluste hin.

Warum schwebt ein Heißluftballon?

Ich bekomme immer wieder Anfragen zu Alltags- und Naturphänomenen und werde in Zukunft meine Antworten auch als Blogbeitrag bringen. Ich werde die Erklärungen mit einem Wort Einsteins so einfach wie möglich formulieren, aber nicht einfacher. Diesmal geht es um die Frage, warum ein Heißluftballon in der Luft schweben kann.

Warme Luft steigt auf. Der Grund dafür ist, dass sich Luft bei Erwärmung ausdehnt. Man sagt auch, sie wird leichter und meint damit, dass ihre Dichte abnimmt. Die kältere und daher schwerere Umgebungsluft wird stärker von der Erde angezogen und drückt die leichtere erwärmte Luft nach oben weg.
Daraus entstand schon sehr früh der Gedanke, heiße Luft in einen Ballon zu füllen und diesen dann aufsteigen zu lassen. Allerdings war die Umsetzung der Idee insofern schwierig, als die Dichteabnahme der Luft durch Erwärmung so gering ist, dass man schon einen sehr großen Ballon mit heißer Luft füllen muss, um zum einen den Ballon selbst und zum anderen auch noch die Nutzlast, z.B. einen Menschen in die Luft gehen zu lassen.
Die ersten erfolgreichen Konstrukteure eines solchen Heißluftballons waren die Brüder Joseph Michel und Jacques Etienne Montgolfier. Weil man der Sache noch nicht so ganz traute, gingen am 4. oder 5. Juni 1783 als erste Passagiere ein Hahn, eine Ente und ein Schaf in die Luft. Aber schon kurze Zeit später, am 21. November 1783 stiegen als erste Ballonfahrer der Geschichte Jean-François Pilâtre de Rozier und François d’Arlandes mit dem Ballon auf.
Heute kann man Heißluftballons häufig beobachten. Meist hört man den Ballon bevor man ihn sieht. Denn da sich die heiße Luft ständig abkühlt, muss sie in kurzen Abständen mit einem Gasbrenner wieder aufgeheizt werden. Das charakteristische Geräusch des brennenden Gases ist zumindest auf dem Lande schon von weitem zu hören.
Den hier abgebildeten Ballon habe ich vor ein paar Tagen in den Abendstunden von meinem Balkon aus aufgenommen. Soweit ich es sehen konnte, war nur eine Person an Bord bzw. im Korb (linkes Foto).

Alle wollen nach oben…

Die Ehrgeizigen setzen alles dran, die oberste Stufe der Karriereleiter zu erklimmen,

die Bergwanderer streben dem Gipfelkreuz zu,

die Vögel setzen sich meist auf die oberste Spitze, die in ihrem Territorium zu erreichen ist, bevor sie

in höchsten Tönen tirilieren,

die Inserenten wollen bei Google ganz oben stehen,

Richter Adam in Kleists Zerbrochenen Krug will unbedingt durch das obere Fenster ins Haus,

der Heliumballon steigt auf Nimmerwiedersehen hoch,

die Sektblasen beeilen sich die Oberfläche des Getränks zu erreichen,

und die Schnecken auf dem Foto, machen es nicht anders…

Ihr werdet weitere Beispiele kennen.

Und wozu das Ganze?

Letztlich holt die Schwerkraft alles auf die Erdoberfläche zurück. Dann kann man nur wünschen, dass es behutsam abgeht und der freie Fall vermieden wird.

Rätselfoto des Monats Oktober 2020

Wie kommt es zu diesen Verzerrungen?

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Nun schweben sie wieder…

Die Löwenzahnwiese blieb die ganze Blühsaison über unberührt und durfte in Ehren fast einheitlich ergrauen. Das Gelb der Jugend wich dem weisen Weiß des Alters. Die zu „Haaren“ umgebildeten Kelchblätter von Korbblütlern (Asteraceae) heißen Pappus im in Anlehnung an das griechische Wort für Großvater „pappos“ (πάππος). Da sage noch einer die Wissenschaftler hätten keinen Sinn für anschauliche Begriffe.
Nach den trockenen Tagen verlieren die Großvaterköpfe ihre Haarpracht und die Haare schweben als kleine Minifallschirme durch den Wind entfacht vor meinem Fenster dahin. Die erste Assoziation: es schneit. Nein, es sind die Papusse, die von einer Zufallskette gelenkt zu einer möglichen neuen Heimat reisen. Zurück bleiben zahlreich kleine Glatzköpfe.
Der Zufall wird auch darüber entscheiden, wo sie schließlich landen und ob sie eine Chance haben, zu einer neuen Pflanze heranzuwachsen. Die Natur bedient sich eines einfachen Prinzips: Keine komplizierten Weginformationen, sondern ohne Rücksicht auf Verluste flächendeckende Ausbreitung. Dabei wird durch eine raffinierte Leichtbauweise und weitere physikalische Tricks erreicht, dass die Sinkgeschwindigkeiten minimal und damit Flugzeiten maximal werden, um auch bei ganz leichten Luftbewegungen voranzukommen.
Der physikalisch optimierte Bau der Gleitflieger geht mit einer eindrucksvollen Ästhetik einher. Ich empfehle Jedem bevor sie oder er mit einem leichten Blasen in die weiße Haarpracht die Gleitschirme auf Reisen schickt, die noch unversehrten Köpfchen gegen das Licht zu halten und den durchschimmernden Innenbau in Augenschein zu nehmen.

Prickelnde Physik

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 1 (2020) S. 72 – 73

Die Blasen in Sekt und anderen kohlensäurehaltigen Getränken sind auch für Forscher faszinierend – besonders, wenn sie an der Oberfläche zerplatzen. Dabei springen feine Tröpfchen hoch, die Aromastoffe verteilen.

Würden alle Dinge zu Rauch,
mit der Nase wüsste man sie zu unterscheiden

Heraklit (um 520 – 460 v. Chr.)

Viele Getränke enthalten Kohlendioxid. Unmittelbar nach dem Einschenken bildet es Blasen, steigt auf und geht schließlich in die Luft über. Doch bis dahin ist es ein physikalisch ereignisreicher Weg.
Ursprünglich löst sich das Gas in den Getränken unter hohem Druck. Die Flaschen trennen es dann luftdicht von der Außenwelt. Die Löslichkeit von Kohlendioxid steigt mit dem Druck. Champagner und Sekt enthalten im Vergleich zu Bier und Sprudelwasser sehr viel CO2 und brauchen darum besonders dicke Wände, um dem standzuhalten.
In der verschlossenen Flasche stellt sich zwischen der Flüssigkeit und der Gasschicht im Hals ein Gleichgewichtsdruck ein. Hierbei verlassen im zeitlichen Mittel genauso viele Gasteilchen die Flüssigkeit, wie diese aufnimmt. Wenn man die verschlossene Flasche schüttelt, entstehen vermehrt Bläschen im Inneren, und der Druck des Gases im Flaschenhals erhöht sich. Sobald Ruhe einkehrt, stellt sich das stationäre Gleichgewicht wieder ein – das zwischenzeitlich befreite CO2 geht erneut in die Lösung.
Beim Öffnen der Flasche kommt es zum Druckausgleich mit der Umgebung. Er macht sich je nach der Vorbehandlung der Flasche und der Temperatur akustisch und strömungstechnisch gegebenenfalls spektakulär bemerkbar (siehe »Lasst die Korken knallen«, Spektrum Januar 2017, S. 63).
Nach dem Einschenken in ein Glas ist das Getränk weiterhin dem wesentlich niedrigeren Umgebungsdruck ausgesetzt, und die Flüssigkeit gibt allmählich den Rest des überschüssigen gelösten Gases ab. Es sammelt sich in kleinen Bläschen, die nach und nach aufsteigen. Sie entstehen nicht an beliebigen Stellen, sondern meistens an bestimmten Bereichen der Glaswand. Dort befinden sich in der Regel mikroskopisch kleine Kratzer oder Verunreinigungen, zum Beispiel winzige Fasern des Handtuchs, mit dem das Glas abgetrocknet wurde. Diese so genannten Keime enthalten meist etwas Luft, an welcher die angehenden Blasen andocken können. Ohne solche Starthilfen wäre für die Entstehung theoretisch ein unendlich großer Druck nötig, denn der ist in einer Blase umgekehrt proportional zu ihrem Radius.
Während die Blase größer wird, kommt die Schwerkraft ins Spiel, nämlich in Form des Auftriebs. Dieser wächst mit dem Volumen, also wie der Radius hoch drei. Die Adhäsionskraft, mit der die Blase ihrem Entstehungsort zunächst verbunden bleibt, steigt aber nur proportional zu der Berührfläche, also wie der Radius hoch zwei. Irgendwann übertrifft also der Auftrieb die Adhäsion. Dann löst sich die Blase ab. Nur ein Rest bleibt hängen, an dem sofort die nächste heranwächst und so weiter.
Die Bedingungen, unter denen die Gasteilchen in die Blase gelangen, verändern sich innerhalb üblicher Beobachtungzeiten nicht besonders. Darum ist auch die Zeitspanne zwischen zwei Ablösevorgängen dieselbe. Die Bläschen folgen daher im gleichen Takt aufeinander und steigen meist in einer Art Perlenschnur senkrecht auf. Bei Getränken mit sehr hoher CO2-Konzentration muss man sich dafür oft etwas gedulden – hier gibt es anfangs häufig eher turbulente Bewegungen der aufsteigenden Blasen.
Im Verlauf des Aufstiegs nehmen dann die Abstände zwischen zwei benachbarten Blasen zu. Liegt das etwa an deren Beschleunigung durch die Auftriebskraft? Allerdings muss die Flüssigkeit den winzigen Blasen wie Sirup vorkommen. In einer solchen Situation erreicht die Reibungskraft, die mit der Geschwindigkeit wächst, bereits nach sehr kurzer Strecke den Wert des Auftriebs. Beide sollten sich also rasch ausgleichen und zu einer gleichförmigen Bewegung führen.
Schaut man sich die Perlenketten genauer an, so stellt man vielmehr fest, dass nicht nur der Abstand mit der Aufstiegshöhe zunimmt, sondern auch die Größe der Blasen. Mehr Volumen bedeutet mehr Auftriebskraft und damit eine höhere Geschwindigkeit.
Doch warum werden die aufsteigenden Blasen größer? Man könnte auf den Gedanken kommen, das läge an der geringer werdenden Last durch immer weniger darüber befindliches Wasser. Doch dieser so genannte hydrostatische Druck beträgt bei einer Wassersäule von typischerweise zehn Zentimeter nur ein Hundertstel des atmosphärischen Luftdrucks – dieser entspricht einer etwa zehn Meter hohen Wassersäule. Daher dürfte der Einfluss vernachlässigbar klein sein. Entscheidend für das Wachstum der Blasen ist vielmehr, dass sie auch während ihres Aufstiegs weiterhin CO2 aufnehmen.
An der Oberfläche scheiden sie spektakulär aus ihrem kurzen Leben. Sie verbleiben dort noch eine mehr oder weniger kurze Zeit und wachsen weiter. Schließlich platzen sie und entlassen das Kohlendioxid in die Atmosphäre. Da der Genuss insbesondere von hochwertigem Sekt und Champagner von kleinsten Details der physikalischen Vorgänge abhängt, spielen auch diese Miniexplosionen eine besondere Rolle. Denn dabei entstehen Fontänen winziger Tröpfchen, die in schlanken Wurfparabeln bis zirka 20 Zentimeter über das Glas hinaussteigen und Aromastoffe in die Luft transportieren. Hinzu kommt die rauschende akustische Untermalung durch die Summe der feinen Klickgeräusche der platzenden Blasen.
2014 haben französische Forscher das Platzen mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Mikroaufnahmen dokumentiert und in mathematischen Modellen beschrieben. Sie erkannten: Bei den auf der Oberfläche driftenden Blasen fließt unter anderem auf Grund der Schwerkraft Flüssigkeit aus dem dünnen Häutchen ab, welches das eingeschlossene CO2 nach außen abdichtet. Der Film wird bereits nach sehr kurzer Zeit so dünn, dass der Überdruck in der Blase ausreicht, ihn zu zerfetzen. Daraufhin entsteht kurzfristig eine Vertiefung, die die allseitig zusammenströmende Flüssigkeit anschließend wieder füllt. Dabei ist nicht die Schwerkraft entscheidend, sondern die stets angestrebte Minimierung der Oberflächenenergie. Bei dem Vorgang treffen so genannte Kapillarwellen in der Mitte aufeinander und lassen eine Minifontäne hochschießen (siehe Illustration …).
Die Fontäne zerfällt in Tröpfchen – wiederum, um die Oberflächenenergie zu minimieren (siehe »Winzige Tröpfchen ganz groß «, Spektrum Juli 2018, S. 62). Die kleinsten von ihnen driften mitsamt der darin gelösten Aromen noch einige Zeit als Aerosol in der Luft. Teilweise kann man die Geschosse sogar als kleine Piekser spüren, wenn sie auf der Haut niedergehen. Das liegt nicht nur an der Empfindlichkeit dieses Organs, sondern auch an der großen Verdampfungsenergie des Wassers, aus dem der Sekt ja zum größten Teil besteht. Während er in den gasförmigen Zustand übergeht, entzieht er der Haut Wärmeenergie.
Ein weiteres interessantes Untersuchungsergebnis: Die Tröpfchen sind – anders, als man es vielleicht erwarten würde – umso kleiner und schneller, je zäher die Flüssigkeit ist, aus der sie bestehen. Solche Erkenntnisse könnten Hersteller anregen, die Viskosität ihres Produkts gezielt zu verändern, um die Ausbreitung der Tröpfchen in der Luft zu beeinflussen – und damit auch den Genuss des prickelnden Getränks.

Quelle
Ghabache E. et al.: On the physics of fizziness: How bubble bursting controls droplets ejection. Physics of Fluids 26, 2014

Rätselfoto des Monats Dezember 2019

Wie kommt es zu diesem farbigen Kranz um … ja, um was nur? Lichtspiel zum 1. Advent allein lasse ich als Antwort nicht gelten.

Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2019

Frage: Wie kommt es zu den Nebelstreifen?
Antwort: Bei dieser Art Kondensstreifen handelt es sich um sogenannte Wirbelschleppen. Sie zeigen sich manchmal kurz nach dem Start oder vor der Landung. Dann nämlich fährt der Jet die Landeklappen aus der Tragfläche (die korrekter als „Auftriebshilfen“ bezeichnet werden sollten), wodurch sich deren Anstellwinkel vergrößert und damit die aerodynamische Auftriebskraft auf eine größere Fläche wirkt. So gelingt das Abheben auch bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten.
Auf diese Weise entsteht ein enormer Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Tragflächen, der an ihren Seiten zu Ausgleichsströmungen von unten nach oben führt. Weil gleichzeitig die Luft von vorn nach hinten strömt, kommt es zu einer zopfartigen Aufwicklung der Strömungsfäden. Und weil der Druck in der Luftströmung stark abnimmt, sinkt die Temperatur schlagartig – nicht anders als bei einem gerade geöffneten Ventils eines Autoreifens. Denn für die mit der Druckabnahme verbundene Ausdehnung benötigt die Luft Energie, die sie aus dem Reservoir ihrer inneren (thermischen) Energie abzapft. Der Vorgang läuft nämlich so schnell ab, dass es zu lange dauern würde, bis durch Wärmeleitung Energie aus der weiteren Umgebung herangeschafft würde. Durch die Abnahme ihrer inneren Energie kühlt sich die Luft lokal stark ab. Und wenn dann auch noch die absolute Wasserdampfkonzentration größer ist als die maximale Wasserdampfkonzentration bei dieser niedrigen Temperatur, kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Wassertröpfchen: Es kommt also zur beobachteten Nebelbildung.
Die Wirbelschleppen unterscheiden sich von den normalen Kondensstreifen auch noch durch einem interessanten Nebeneffekt: Sie treten immer paarweise mit gegenläufigem Drehsinn auf, sodass sich der Gesamtdrehimpuls zu Null summiert.
Nebelfäden über den Tragflächen treten bei genügender Luftfeuchte manchmal auch in voller Reiseflughöhe über die Tragflächen strömend auf. Sie verdanken sich dem starken Druckabfall über den Tragflächen und führen bei den ohnehin schon sehr tiefen Temperaturen die Kondensation überspringend zur Resublimation des Wasserdampfs zu feinen Eiskristallen.

Die ersten Frühblüher verblühen…

Der Huflattich wartet sehr früh im Jahr zunächst mit seinen dem Löwenzahn ähnlichen Blüten auf uns setzt sehr früh gelbe Akzente in die noch ziemlich monochrome Landschaft. Inzwischen sind diese Blüten am verblühen und die Blütenköpfe werden weißhaarig – eine Gemeinsamkeit, die sie mit den Menschen teilen. Darin verbergen sich die Samenkörner, die – wie der Löwenzahn – jedes mit einer gleitschirmartigen Flugvorrichtung durch kleinste Luftströmungen in alle Winde verstreut werden – auf dass sich die Pflanze großflächig ausbreite.
Dabei kommt ihnen wie beim Löwenzahn ein allometrischer Effekt entgegen: Die aus einem fein verästelten Pappus bestehenden Gleitschirme sind so filigran, dass der Widerstand der sie durchströmenden Luft und damit der Auftrieb größer sind als bei einem gleich großen flächenhaften Schirm. Zusätzlich dürften die in der Luft driftenden Gleitschirme wie beim Löwenzahn in den Genuss eines stationären Wirbels oberhalb des Schirms kommen, der eine Art Sog ausübt und damit einen zusätzlichen Beitrag zum Auftrieb liefert.

Gleichzeitig entwickeln sich die tellerartigen Blätter von nun an mit voller Kraft. sie werden in kurzer Zeit enorme Ausmaße annehmen, wenn nicht eine erneute Trockenheit wie im letzten Jahr den Pflanzen zusetzt.

Eigentlich hatte ich es nur auf dieses Phänomen abgesehen, das uns demnächst die Löwenzahnpflanze noch zur Genüge bieten wird. Erst beim Betrachten des Fotos entdeckte ich ein kleines schwarzes Insekt, dessen Namen ich wieder mal nicht kenne, das entweder zu spät kommt oder sich nur ausruhen will.

Manches fällt nach oben

Manches erledigt sich von selbst. Naja, nicht ganz aber fast. Eine Schale mit Jogurtresten und den dazu gehörigen Löffel zunächst einmal mit Wasser gefüllt und in die Spüle gestellt, säubert sich, indem sie die Schwerkraft wirken lässt. Weil Wasser eine größere Dichte hat als das Milchprodukt, drückt es diese nach oben. Erstaunlich ist vielleicht mit welcher Konsequenz hier der streng vertikale Aufstieg das Geschehen dominiert. Es kommt zu einer Abbildung bzw. Projektion der Umrisse des Löffels, dessen Mulde man nur noch schemenhaft im getrübten Umfeld erkennt. Weiterlesen →

Jetzt bin ich gar

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 9 (2018), S.

Wenn Spätzle, Gnocchi und Co. im siedenden Wasser an die Oberfläche steigen, sind sie gar. Dann haben sich die in ihnen enthaltenen Luftbläschen so stark erwärmt und dadurch ausgedehnt, dass ihre Dichte hinreichend klein geworden ist.

Sie blies sich richtig auf, als würde sie gleich aufsteigen
wie eine Montgolfiere, wenn niemand sie festhielt.
Sten Nadolny (*1942) Weiterlesen →

Manche Schmetterlinge treiben wie Blätter auf einem Fluss (2)

Schmetterlinge in den Tropen aus der Gruppe Haeterini driften dicht über den Boden mehr als dass sie fliegen „wie Blätter auf einem Fluss“ (Philip DeVries). Dabei nutzen sie den zum Beispiel von Landungen eines Flugzeugs bekannten Bodeneffet aus. Wenn Flugzeuge landen, wird der Luftspalt zwischen Boden und Hinterkante der Flügel immer kleiner. Dadurch wird Luft gestaut, wodurch der Druck wächst und einen größeren aerodynamischen Auftrieb erzeugt. Das Flugzeug driftet dann gewissermaßen auf einem Luftissen, das sich mit ihm mitbewegt. Um diesen Effekt der Energieeinsparung noch zu optimieren, haben die Schmetterlinge verlängerte abgeschrägte Vorderflügel.
Wie in diesem Fall wird die Erklärung natürlicher Vorgänge oft mit Hilfe von einfacher durchschaubaren technischen Vorgängen veranschaulicht. Umgekehrt wird das so der physikalischen Beschreibung zugänglich gemachte Verhalten der Natur als Vorbild für die Verfeinerung entsprechender technische Verfahren herangezogen. Man spricht dann von Bionik oder genauer von Biometrik.

Das Foto zeigt allerdings nur einen Zitronenfalter, der es sich an einer Distelblüte gut gehen lässt.

Disteln – wehrhaft und filigran

Als Kind konnte ich Disteln nicht leiden, weil sie mich so manches Mal leiden ließen. Ihre Dornen sind nicht ganz ohne und das nicht ohne Absicht. Denn sie wollen sich nicht fressen lassen. Wer will das schon. Aber ich kann schwören, dass ich nie eine solche Absicht gehabt habe.
Dadurch dass biologisches Gewebe zu einer Spitze mit einer winzigen Fläche verjüngt wird, übt es bereits bei verhältnismäßig geringen Kräften, sehr große Drücke aus. Denn der Druck, mit dem der Dorn beispielsweise auf die Haut eines gefräßigen Tieres oder die Arme eines unvorsichtigen Kindes wirkt, ist gleich dem Quotienten aus Kraft und Fläche und daher bei gegebener Kraft umso größer, je kleiner die Fläche der Dornenspitze ist.
Die auf diesen physikalischen Gegebenheiten beruhenden negativen Kindheitserfahrungen haben den Blick für die Schönheit der Distel lange verstellt. Wenn ich an die Mariendistel denke, zeigt sich die Schönheit bereits darin, dass der korbförmige Blütenstand mit einer zwar rauen aber nahezu perfekten Kugelform beginnt, aus deren Oberfläche nach einem gleichzeitig ästhetisch ansprechenden und ökonomisch perfekten System die Dornen sprießen.
Später verschlanken sich diese Körbe und lassen die purpurfarbenen bis violetten Blütenblätter hervortreten, die besonders bei Bienen, Hummeln und Schmetterlingen beliebt zu sein scheinen. Jedenfalls war es kaum möglich,  eine Blüte ohne Insektenbesuch zu fotografieren (oberes Foto).
Anschließend sieht es so aus, als sei es mit der Ästhetik vorbei. Die Farben verblassen, die Hülle vertrocknet. Doch nach einiger Zeit scheint der Korb geradezu zu explodieren und lässt eine Unmenge an glänzend weißen, filigranen Federkronen hervorquellen, die jede mit einem glänzend dunklen Samenkorn versehen ist. An der Menge dieser flockigen Gebilde kann man bereits erkennen, dass sie eine sehr geringe Dichte haben müssen, um aus dem verhältnismäßig kleinen Volumen hervorzugehen.  In der Tat bestehen sie hauptsächlich aus Luft und einigen sehr leichten verzweigten Härchen. Durch diese Aufbauschung einer geringen Masse zu einem großen Volumen sind der Luftwiderstand und der Auftrieb groß, sodass schon ein kleiner Windhauch ausreicht, die Samenkörner weit fortzutragen.

Die Temperatur an die Kette gelegt

Ucke, Chr.; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 4)/3 (2018) S. 138 – 141

Das wenig verbreitete Kettenthermometer hat eine unübliche Anzeige: niedrige Temperaturen sind oben auf einer Skala abzulesen, hohe Temperaturen unten. Das erklärt sich aus der Konstruktion. Es lässt sich mit passablem Aufwand selbst bauen.

Die im thüringischen Ort Mellenbach-Glasbach ansässige Firma Möller-Sommer-Therm [1] hat etwa um 1990 das sogenannte Kettenthermometer entwickelt und mit zwei Schriften beim Deutschen Patentamt angemeldet [2, 3]. Das Thermometer wurde auch bis etwa 2004 produziert, war allerdings nie sehr verbreitet. Es ist heute relativ unbekannt und kaum noch erhältlich [4]. Es ist eher ein dekoratives Element als ein genaues Messinstrument. Die Messskala ist gerade umgekehrt wie sonst üblich: die großen Temperaturwerte befinden sich unten, die kleinen oben. Daher verleitet eine solche Skala leicht zu Fehlablesungen, da wir gewohnt sind, zunehmende Werte auf senkrecht angeordneten Skalen oben zu finden. Weiterlesen →

Galileo Chain Thermometer

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Phys. Educ. 52 (2017) 045012

This relatively rare thermometer has a rather unusual display: lower temperatures are located at the top of the scale, higher ones at the bottom. A sphere on a chain floats in a suitable liquid, sinking at high temperatures when the density of the liquid decreases and rising in the increased density at low temper-atures. With reasonable effort and experimental dexterity, you can construct this thermometer yourself using ordinary materials. Weiterlesen →

Die Melodie des Wasserkochens

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 10 (2016), S. 60 – 61

Die wechselhaften Geräusche beim langsamen Erhitzen bis zum Sieden verraten viel über die physikalischen Vorgänge im Wasser.

Das Wasser ist auf Grund vielfältiger
Notwendigkeit an den Menschen gebunden,
so dass sich seine Einzigartigkeit
unter dem Gewohnten verbirgt.
Primo Levi (1919–1987) Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Oktober 2016

Frage eines etwa 9 jährigen Kindes: Warum hebt der nicht ab?

Damit war der Luftballonverkäufer gemeint, der diese große Traube festhielt. Ich gebe die Frage hiermit an alle Interessierten weiter.

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Eine Kugel aus weißen Schirmen

Früher sagte mein kleiner Sohn, der an demselben Blütenstand des Löwenzahns eine in voller Pracht gelb blühende Blüte neben einer bereits verblühten weißen „Pusteblume“ sah: „Die ist schon alt, die hat schon weiße Haare“. Aber sie ist schön, entgegnete ich, schau sie dir genau an. Weiterlesen →

Enten schwimmen ohne das Archimedische Prinzip zu kennen

Kaum jemand wird an das Archimedische Prinzip erinnert, wenn er eine Ente nicht nur im Wasser, sondern auch in einem Meer von Lichtreflexen eingetaucht schwimmen sieht. Der Kontrast zwischen lebensweltlicher und physikalischer Sehweise könnte kaum größer sein als auf diesem Foto. Und dennoch halte ich es unter bestimmten Bedingungen für denkbar, von einem solchen Foto auszugehen, um beim Archimedischen Prinzip zu landen. Weiterlesen →

Über das Wasser gehen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 4 (2015), 52 – 54

„Auf der Grenze liegen immer
die seltsamsten Geschöpfe.“

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Wie sich ein Wasserläufer auf der Oberfläche eines Teichs hält, ist längst geklärt. Bei der Frage, wie sich das Insekt darauf fortbewegt, sind Forscher jedoch auf ein Paradox gestoßen.

Über Wasser zu gehen, ist ein alter Menschheitstraum. Für viele kleine Tiere ist das Kunststück jedoch Alltag: Sie bewegen sich mühelos und sogar trockenen Fußes über die Wasseroberfläche. Besonders elegant gelingt das den so genannten Wasserläufern, die zu den Wanzen zählen und die in unseren Breiten in gleich mehreren Arten vorkommen. Mit schnellen Bewegungen flitzen sie über das Wasser und machen Teiche, Tümpel und andere Gewässer für noch kleinere Beutetiere unsicher. Manche lassen sich auch von einer leichten Brise einfach über die Wasserfläche treiben, andere sieht man wie auf einem Trampolin springen.

Physikalisch gesehen ist das alles andere als ein Wunder. Denn mit abnehmender Körpergröße verringert sich die Gewichtskraft eines Tiers schneller – nämlich mit der dritten Potenz – als die „Tragekraft“ des Wassers, also die Summe seiner Auftriebs- und Oberflächenkraft. Letztere hängt nämlich vor allem von der Größe der Kontaktfläche mit dem Wasser ab und sinkt folglich nur mit der zweiten Potenz. Dank der Oberflächenspannung wirkt die Wasseroberfläche für die Tiere nun wie eine elastische Folie, sie haben also einigermaßen festen Boden unter den Füßen.

Man kann sich das auch noch genauer anschauen. Dann erkennt man, dass die schmalen Füßchen des Wasserläufers, die am Ende langer spindeldürrer Beinchen sitzen, die Wasseroberfläche zu schüsselartigen Vertiefungen eindellen. Weil sie sich durch ihre hohlspiegelartigen Reflexionen der Umgebung vom übrigen Wasser absetzen, sind sie leicht zu erkennen (Abb. 1). Die Volumina dieser Dellen sind ein Maß für das vom Wasserläufer verdrängte Wasser und damit für die Auftriebskraft.

Aber könnte das Tier nicht trotzdem einfach einsinken? Schließlich bieten seine dünnen Beinchen der Auftriebskraft kaum einen Ansatzpunkt. Doch die Beine besitzen winzige Härchen, die mit hydrophobem, also wasserabstoßendem Wachs überzogen sind. Außerdem sind sie nanofein geriffelt, sodass die hydrophobe Kontaktfläche mit dem Wasser sehr groß ist – Fachleute sprechen von Superhydrophobie. Physikalisch und chemisch hat die Natur offenbar alles „getan“, um die Wasserläufer fit für ein Leben auf dem Wasser zu machen.

Damit ist allerdings nur geklärt, warum das Tier problemlos auf dem Wasser stehen kann – doch wie bewegt es sich fort? Gleich Menschen und Tieren, die auf festem Boden laufen, muss sich auch der Wasserläufer von irgendetwas abstoßen, um voranzukommen. Physikalisch gesprochen kann der Impuls, der zur Fortbewegung in eine bestimmte Richtung führt, nur durch einen gleich großen Impuls in Gegenrichtung aufgebracht werden. Nun könnte man meinen – und die meisten Wissenschaftler taten das lange –, dass sich der Wasserläufer einfach an den Dellen im Wasser abdrückt. Dabei entstehen nämlich kleine, aber gut sichtbare Ringwellen, so genannte Kapillarwellen, und tragen den dabei übertragenen Impuls fort.

Das Problem bei dieser Argumentation: Damit der Stoß eines Wasserläuferfußes stark genug ist, um die Oberflächenspannung des Wassers zu überwinden und solche Kapillarwellen auszulösen, muss er das Wasser mit einer Geschwindigkeit von mindestens 23 Zentimeter pro Sekunde wegdrücken. Für die langbeinigen erwachsenen Tiere ist das kein Problem: Bei jedem Spurt hinterlassen sie eindrucksvolle Wellenmuster (Abb. 2). Nicht aber die Jungtiere: Die wären mit solchem Krafteinsatz völlig überfordert.Trotzdem bewegen sie sich ebenso gewandt auf dem Wasser wie ihre Eltern.

Diese Beobachtung zieht alles in Zweifel, was man über die Impulsbilanz dieses Vorgangs zu wissen glaubte. Tatsächlich waren sorgfältige Messungen nötig, um das Rätsel aufzuklären. Forscher um den Physiker John Bush vom Masssachusetts Institute of Technology konnten dabei nachweisen, dass der zum Vortrieb der Wasserläufer nötige Impuls nur teilweise durch den Impuls kompensiert wird, den die Kapillarwellen forttragen. Wichtiger für die Impulsbilanz sind vielmehr kleine Wirbel unterhalb der Wasseroberfläche, die sich entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung wegbewegen. Bei den von ihnen untersuchten Wasserläufern der Gattung Gerris remigis entdeckte die Gruppe um Bush nämlich, dass diese mit ihrem mittleren Beinpaar eine Art koordinierter Ruderbewegung ausführen (siehe Fotoserie Abb. 3) und dabei jeweils zwei Wirbel pro Bein im Wasser erzeugen. Diese Wirbelpaare vereinigen sich zu einem U-förmigen Schlauch, der entgegen der Fortbewegungsrichtung wegdriftet und dabei ein gewisses Maß an Impuls mit sich fortführt (Abb. 3).

Die Notwendigkeit einer solchen Vereinigung ergibt sich aus der Helmholtzschen Wirbeltheorie. Demnach bilden Wirbel entweder geschlossene Ringe, wie wir es beispielsweise von Rauchringen kennen, oder sie müssen wie im vorliegenden Fall an der Wasseroberfläche entstehen und enden. Das Rudern des Wasserläufers ist daher ganz ähnlich wie das Rudern im Boot. Auch dort wird das Paar von Wirbelenden, das man erzeugt, wenn man die Ruder aus dem Wasser hebt, durch einen Wirbelschlauch unter dem Boot hindurch verbunden.
Wasserläufer beherrschen aber noch einen weiteren Trick, den kaum jemand kennt. Nähern sie sich kleinen, auf der Wasseroberfläche driftenden Objekten – schon der Teil eines Blatts genügt – , nehmen diese Reißaus, als ginge von den Wasserläufern eine abstoßende Kraft aus. Diese Kraft existiert tatsächlich, sie geht allerdings nicht von den Tieren selbst aus, sondern von den konvexen Menisken rund um die Dellen, in denen ihre hydrophoben Füße ruhen. Umgekehrt sind die treibenden Objekte meist hydrophil, also benetzbar, und bilden deshalb einen konkaven Meniskus aus. Kommen einander konkave und konvexe Menisken schließlich zu nahe, stoßen sie einander ab (siehe „Gleich und Gleich gesellt sich gern„, August 2012, S. 49).

Was passiert nun, wenn ein Wasserläufer einem großen konkaven Meniskus begegnet? Wenn sich das Wasser am Rand seines Teichs oder in der Umgebung bestimmter Wasserpflanzen hochwölbt, hält es das Tier auf Abstand. Größeren Wasserläufern macht das zwar nichts aus – wenn sie an Land wollen, können sie das Hindernis einfach überspringen –, aber kleineren Tierchen wie dem nur 2,8 bis 3,5 Millimeter großen Wasserläufer Mesovelia, der bei oberflächlicher Betrachtung wie eine Larve von Gerris aussieht, muss dieser Randmeniskus wie eine kaum zu bezwingende spiegelglatte Anhöhe erscheinen.

Doch Mesovelia kennt einen ebenso einfachen wie genialen physikalischen Kunstgriff. Er kann mit seinen Vorder- und Hinterkrallen die Wasseroberfläche hochziehen und die Dellen mit schierer Muskelkraft von ihrer konvexen in eine konkave Form umstülpen. Die Topologie des Randmeniskus bleibt dabei unverändert, und doch erlebt das Tier die vormals ansteigende Rutschbahn nun als abschüssige Wegstrecke.

Doch halt: Wie soll das gelingen, schließlich sind doch auch die Beine von Mesovelia superhydrophob? Es gibt einen Unterschied zu Gerris: Mesovelia verfügt über spezielle Krallen, die hydrophil sind und an denen das Wasser haften bleibt. So geht Muskelenergie direkt in Oberflächenenergie über – ganz anderes als bei seinen Verwandten, wo sie in Bewegungs- und Höhenenergie des jeweiligen Insektenkörpers sowie in Bewegungsenergie des ihn tragenden Wassers umgewandelt wird. Mesovelia agiert also aus einer quasistatischen Konfiguration heraus: Ohne sich selbst fortbewegen zu müssen, wird es von seiner Umgebung bewegt.

Den überraschenden Effekt kann man mit einem Suppenteller voll Wasser und einigen auf seiner Oberfläche verteilten Styropor- oder Korkkrümeln leicht nachstellen. Man muss nur mit der Pinzette eine Heftzwecke kopfüber auf das Wasser setzen, und schon gehen die Krümel blitzschnell auf Abstand. Zieht man die Heftzwecke wieder etwas hoch – sodass das Wasser gerade noch an ihr haften bleibt –, eilen die Krümel zurück und sammeln sich um die Zwecke herum.

Literatur:

Hu, D.L. Chan, B., Bush, J. W. M.: The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature 424, S. 663 – 666, 7. August 2003
Hu, D.L., Bush, J.W.M.: Meniscus-climbing insects. Nature 437, S. 733 – 736, 29. September 2005.

Dies ist die Einreichversion der Publikation Über das Wasser gehen

Das Schwimmgleichgewicht energetisch betrachtet

Suhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim. In: Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht 67/1 (2014) 23 – 26

Wenn man sich mit schwimmenden Gegenständen befasst, beschränkt man sich meistens auf den Endzustand eines Vorgangs, bei dem das aus Flüssigkeit und Gegenstand bestehende System bereits ins Gleichgewicht gelangt ist. Aus der in der vorliegenden Arbeit eingenommenen energetischen Perspektive rückt dagegen dieser Vorgang selbst in den Blick, wobei diese Art der Erschließung völlig auf den Druckbegriff verzichten kann. Neben einer allgemeinen qualitativen Erörterung des Problems  werden einige konkrete Beispiele quantitativ beschrieben.

PDF: Kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Aufgewühlte See im Bermudadreieck

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/10 (2011), S. 52-53

Vom Ozeanboden aufsteigende Gasblasen verringern den Auftrieb. Möglicherweise lassen sie so ganze Schiffe sinken.

»Wissen möchte ich…«, sagte die
Prinzessin, »warum ein Schiff eigentlich
schwimmt. Es wiegt so viel: Es
müßte doch untergehn. Wie ist das!«
Kurt Tucholsky (1890 – 1935)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/aufgewuehlte-see-im-bermudadreieck/1121020

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.

Physikalische Anmerkungen zur schwimmenden Kerze

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 43/4, 15 (1994).

Als der Lehrer den Schülerinnen und Schülern eine in einem Glasgefäß schwimmende brennende Kerze präsentiert, sind einige von ihnen doch erstaunt. Sie waren der Meinung, daß eine Kerze „schwerer“ als Wasser sei. Nun sehen sie, daß die Kerze schwimmt, auch wenn sie dabei nur ein wenig aus dem Wasser herausschaut (Abb. 1). Angesichts dieser Situation äußert ein Schüler die Vorhersage: „Lange brennt die nicht mehr“. Er meint, das Wasser würde die Flamme zum Erlöschen bringen, sobald die Kerze bis zum Wasserrand  abgebrannt sei. Im anschließenden Unterrichtsgespräch macht man sich jedoch klar, daß die Kerze durch das Abbrennen leichter und daher stets aus dem  Wasser herausschauen wird. Wie weit wird sie herausschauen? Ein Schüler meint, immer gleich weit. Eine Schülerin schließt daraus messerscharf: Dann müßte die Kerze schließlich über dem Wasser schweben. Es dauert einige Zeit, bis jeder diese scharfsinnige Schlußfolgerung durchschaut.

PDF: Physikalische Anmerkungen zur schwimmenden Kerze

Das Galilei – Thermometer – Termometro lento

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 24/1, 44 (1994).

Träge bewegen sich farbige Glaskugeln in einem schlanken Zylinder und zeigen die Temperatur an. Schon seit über 300 Jahren bewährt sich das Konstruktionsprinzip dieses ästhetisch ansprechenden Thermometers.

PDF: Das Galilei – Thermometer – Termometro lento

Warum sprudelt der Sekt?

Schlichting, H. Joachim; Ucke, Christian. In: Physik in unserer Zeit 24/5, 231 (1993).

In einem Sektglas steigen wie glitzernde Perlen Gasblasen auf. Warum bilden sie sich vornehmlich an bestimmten Stellen, und nach welchen Gesetzen bewegen sie sich an die Oberfläche?

PDF: Warum sprudelt der Sekt?

Symmetriebruch am schwimmenden Stab

Schlichting, H. Joachim; Backhaus, Udo; Schlie, Ansgar. In: Praxis der Naturwissenschaften 38/5, 34 (1989).

Symmetrie bedeutet im weitesten Wortsinn Wiederholung von Gleichartigem. In dem Maße, wie wissenschaftliche Forschung mit dem Aufdecken von Regelmäßigkeiten in der Natur befaßt ist, geht es so gesehen um die Suche nach Symmetrie. Die Symmetrie kann daher wohl mit Recht als das wirkungsvollste Ordnungsprinzip insbesondere der Naturwissenschaften angesehen werden.
Pierre Curie wies bereits gegen Ende des vorigen Jahrhunderts darauf hin, daß Symmetriebetrachtungen geeignet sein können, auf neue Effekte aufmerksam zu machen, wenn man sein Augenmerk auf einen Symmetriebruch (dissymétrie) richtet, den man bei bestimmten (physikalischen) Vorgängen vorfinden kann. Denn „dieser Symmetriebruch muß sich in den Ursachen, die ihn hervorgerufen haben, wiederfinden“ [1]: Ein Symmetriebruch verweist auf die Eigenschaft eines Systems, Zustände verschiedener Ordnung einnehmen zu können. Wesentlich ist dabei, daß er nach universellen Gesetzmäßigkeiten organisiert ist, die für den Phasenübergang in einem Ferromagneten ebenso zutreffen wie für die spontane Entstehung von Bénardzellen auf einer von unten geheizten Flüssigkeitsschicht. Man spricht daher auch allgemein von kritischen oder phasenübergangsähnlichen Phänomenen [2].

PDF: Symmetriebruch am schwimmenden Stab