Blasen

Antibubble – das Gegenteil einer Seifenblase

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2022), S. 60 – 61

Wer fragt die These und die Antithese,
ob sie eine Synthese werden wollen?
Stanisław Jerzy Lec (1909–1966)

Ein Tropfen, der in eine Seifenlösung fällt, kann sich beim Eintauchen mit einer dünnen Luftschicht umschließen und gemeinsam mit dieser langsam absinken. Ob das klappt, hängt davon ab, wie genau die Luft beim ersten Kontakt der Flüssigkeiten verdrängt wird.

Wenn man jemanden fragt, was das Gegenteil einer Blase ist, so bekommt man oft zu hören, das sei ein Tropfen. Das klingt zunächst plausibel – ist es aber nicht. Denn eine Blase besteht aus einer Luftkugel mit einer Wasserhülle und befindet sich in der Luft. Das genaue Gegenteil wäre eine Wasserkugel mit einer Lufthülle unter Wasser. Solche »Antiblasen«, gelegentlich nach dem englischen Begriff als Antibubbles bezeichnet, gibt es tatsächlich. Manchmal entstehen sie sogar zufällig, wenn Tropfen in eine Flüssigkeit fallen.

Um nicht auf sein Glück warten zu müssen, kann man Antibubbles gezielt herstellen. Ähnlich wie bei Seifenblasen gelingt das am leichtesten in Wasser, dem man einige Tropfen Spülmittel zugefügt hat. Allerdings ist dabei ein wenig Übung erforderlich. Dazu braucht es einen Trinkhalm, den man ein paar Zentimeter tief in die Lösung (etwa ein Gramm Spülmittel pro Liter Leitungswasser) taucht. Dann verschließt man ihn oben mit einem Finger und hebt ihn einige Millimeter über die Oberfläche. Sobald man die Öffnung freigibt, schießt die Füllung heraus und erzeugt nach etwas Ausprobieren eine etwa einen Zentimeter große Antibubble.

Der Prozess läuft prinzipiell ähnlich ab wie bei einer Seifenblase. Diese entsteht, indem eine Seifenlamelle von einem Luftstrom ausgebeult wird und sich das filigrane, schlauchförmige Gebilde bei einer kritischen Länge zu einer Kugel abschnürt (siehe »Spektrum« Juni 2016, S. 44). Zur Herstellung einer Antibubble reicht der kurze Fall eines Tropfens aus, um die beim Aufprall auf die Flüssigkeitsoberfläche zusammengepresste Luftschicht beim Eintauchen ins Wasser gewissermaßen mitzunehmen. Dabei beult er sie ballonartig aus, bis es ebenfalls zu einer Abschnürung kommt – in diesem Fall des Luftfilms, der die eingetauchte Wasserportion umhüllt.

Um sich den Vorgang im Detail vorzustellen, hilft das Bild einer Wasserschicht, die unter dem Einfluss der Schwerkraft auf die Wasseroberfläche trifft. Zwischen den beiden befindet sich Luft, die dabei zur Seite abgedrängt wird. Das ist kein Problem, so lange sie frei strömen kann. Sobald jedoch ein gewisser Abstand unterschritten wird, bestimmen immer mehr typische Grenzflächenkräfte das Fließverhalten der entweichenden Luft. Sie wird im zunehmend schmalen Spalt zugleich verdrängt und zusammengedrückt. Deswegen können sich die Gasteilchen nicht mehr frei und unabhängig voneinander im Raum bewegen. Vielmehr entsteht das Profil einer laminaren Strömung. Das heißt, die Luftmoleküle, die am Wasser grenzen, bleiben daran haften, während ihre Geschwindigkeit in den (zur Veranschaulichung gedachten) Schichten zur Mitte hin zunimmt. Hinzu kommt, dass mit geringerer Spaltbreite die Zähigkeit der Luft an Einfluss gewinnt. Das äußert sich in einer gesteigerten Reibungskraft, die den Luftstrom verlangsamt. Anschaulich gesprochen verfestigen sich dadurch die Verhältnisse in der Hülle, und sie werden gegenüber störenden Einflüssen stabilisiert.

Die Begrenzungen der auf diese Weise gequetschten Luft sind jedoch nicht unbeweglich wie bei festen Wänden, sondern flüssig. Das umliegende Wasser droht also infolge der Reibungskraft mitgeführt zu werden. Der Luftstrom würde dann nicht gebremst, sondern bliebe schnell, dünn und fragil. Das stünde der Entstehung einer Antibubble entgegen.

An der Stelle kommen die mit dem Spülmittel verabreichten Tenside ins Spiel. Das sind langgestreckte Moleküle mit einem dem Wasser zugewandten (hydrophilen) und einem Wasser abweisenden (hydrophoben) Ende. Sie sammeln sich an der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit. Das minimiert die dortige Energie und stabilisiert den Luftstrom: Ein Mitreißen der flüssigen Grenzschicht würde die Konzentration der dort versammelten Tensidmoleküle verringern und die Oberflächenspannung erhöhen. Dagegen wehrt sich das System, indem es eine Gegenströmung antreibt, welche die Tensidkonzentration in der Grenzschicht aufrecht erhält. Die gegeneinander wirkenden Tendenzen versteifen die Wände sozusagen.

Antibubbles haben nicht nur eine physikalisch komplizierte Geburt, obendrein ist ihre Lebensdauer ebenso wie bei Seifenblasen begrenzt. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren, streben beiderlei Gebilde eine Kugelgestalt an. Weiterhin wird Energie an die Umgebung abgegeben, indem der Schwerpunkt der Blasen sinkt. Bei einer Seifenblase rinnt die Flüssigkeit in der Haut schwerkraftbedingt herab, bis diese schließlich an der dünnsten Stelle reißt. Auch bei der Antibubble spielt die Gravitation eine Rolle. Hier drückt die innere Wasserkugel mit ihrem Gewicht auf die Lufthülle und presst allmählich Luft hoch. Dadurch wird sie unten irgendwann so schmal, dass sie platzt. Das ganze Schauspiel endet bei der Seifenblase mit umher fliegenden Bruchstücken aus Lauge, die sich zu Tröpfchen zusammenziehen und zu Boden fallen. Bei der Antibubble ist es wieder umgekehrt: Die Fetzen der Lufthülle schrumpfen zu winzigen Bläschen im Wasser, die zu dessen Oberfläche aufsteigen.

Quelle

Suhr, W.: Invertierte Seifenblasen: Antibubbles. Physik in unserer Zeit 2, 2022

Weblink

http://www.youtube.com/watch?v=SeKDd-plkbU

Das Video demonstriert den Herstellungprozess mit einem Trinkhalm und das physikalische Verhalten der Antiblasen.

Woher nimmt der Schaum seine Füllung?

Meine Schwester schickte mir das Foto mit der Frage, warum sich der Schaum derartig aufbaut und sogar bestehen bleibt. Sie war nämlich dabei eine Vase zu reinigen und erlebte beim Einfüllen des Spülwassers ein erstaunliches Schaumwachstum. Der Schaum quoll weit über die Vase hinaus und schien in dieser Position verharren zu wollen.
Indem ich daran dachte, wie der Bierschaum beim ungestümen Einschenken in die Höhe schießt oder daran, wie beim Pusten mit einem Strohhalm in das Spülwasser ganze Berge von Schaum aufgetürmt werden können, kam mir die Antwort zunächst sehr einfach vor.
Doch dann ergab sich die Frage, woher das Gas kommt, mit dem die vielen Blasen des Schaums gefüllt wurden?
Nach einigen Beratungen und Experimenten ergibt sich die folgende Antwort:
Wenn man zunächst das Spülmittel und dann das Wasser oder auch das bereits mit Spülmittel gemischte Wasser in die Vase gießt, wird mit dem Flüssigkeitsstrahl reichlich Luft mitgerissen und mit der Flüssigkeit vermischt.
Während der anschließenden Beruhigungsphase, in der sich Luft und Flüssigkeit wieder ihrer unterschiedlichen Dichte entsprechend ordnen, steigen die Luftbläschen aus der Flüssigkeit auf, um sie wieder zu verlassen. Doch dabei müssen sie die die Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Luft durchqueren. Da diese Grenzschicht aber durch das Spülmittel entspannt ist und so etwas wie eine dehnbare Haut darstellt, werden dabei mehr oder weniger kleine Blasen aufgeblasen und von den auf dieselbe Weise entstehenden nachfolgenden Blasen hochgeschoben. Der Vorgang hält solange an, bis sich die Luft völlig aus der Flüssigkeit befreit hat .
Doch was heißt hier schon „befreit“, letztlich ist sie in Blasen portioniert gefangen und kann nicht aus dieser ihrer Haut. Vielmehr treiben die späteren die früheren Blasen vor sich her. Dabei quillt der so entstehende Schaum aus dem Glas heraus.
Je nach Art des Spülmittels kann das Schaumgebilde auch nur mehr oder weniger lange existieren. Schließlich müssen die Blasen dann doch die gefangene Luft wieder freigeben.

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.

Nachtrag zum Halloween

Nachdem es aufgehört hat zu regnen, tröpfelt es aus dem Auslauf des Fallrohres noch sehr lange in die Regentonne. Fast jeder Tropfen erzeugt eine Blase, so als wechselte der Tropfen beim Übergang in die Anonymität des in der Tonne gesammelten Wassers einfach seine Identität: Aus der luftumhüllten Wasserkugel in eine wasserumhüllte Luftkugel. Leider ist die Kugelgestalt in beiden Fällen nur das Ideal, an dem sich die Materie orientiert. Weder die fallenden Tropfen noch die driftenden Blasen erreichen sie.
Die Tropfen schaffen es nur näherungsweise während des Falls und dann auch nur die kleinen, denen die Schwerkraft nicht so viel anhaben kann. Und den Blasen gelingt es nicht, sich aus dem Wasser zu befreien. Sie driften allenfalls als unvollkommene Halbblasen auf dem Wasser und das auch nur für kurze Zeit in einem Kollektiv. Und dieses schickt sich an das zweidimensionale Äquivalent der Kugel, den Kreis,  zu erreichen. Auch das gelingt ebenfalls meist nur sehr unvollkommen.
Und wenn dann dieser halbwegs runde Blasenteppich durch äußere Einflüsse verschoben wird und unter den weiterhin tropfenden Auslauf gerät, zerschießen die fallenden Tropfen auch noch einige der Blasen, sodass entsprechende Löcher im Teppich entstehen. Auch hier macht sich dann wieder die Tendenz bemerkbar, das Loch kreisförmig zu gestalten. Aber bevor es soweit kommt, führen vor allem äußere Einflüsse dazu, dass andere Gestalten durchlaufen werden, u.A. die im Foto dargestellte, die schon eher an eine nachträgliche Reminiszenz an Halloween erinnern als an physikalisch begründbare Vorgänge.

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 →

Cappuccino mit Dämpfer

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 9 (2020), S. 66 – 67

das schäumte hoch;
dick & gelbbraun

Arno Schmidt (1914–1979)

Schaum hat einige typische Eigenschaften eines Festkör-pers. Darum wirkt er auf der Oberfläche einer Flüssigkeit fast wie ein Deckel – und kann bei starken Bewegungen sogar ihr Überschwappen verhindern. Weiterlesen →

Kollabierende Schaumblasen schießen mit Tropfen

Manche Blasen halten sehr lange. Zum Beispiel die Schaumblasen auf dem Cappuccino oder die Blasen, die sich zu einem Eischnee vereinigt haben. Es gibt aber auch Situationen, in denen die Blasen im Verbund eines gerade entstandenen Schaumgebildes manchmal sogar mit einer Serie von hörbaren Klicken in schneller Folge ihr just begonnenes Leben wieder aushauchen. Weiterlesen →

Als der Auftrieb noch die Eigenschaft des Leichten war…

Als ich nach dem Regen an dem kleinen Gewässer vorbeiging, hatte ich wieder einmal das ungute Gefühl beobachtet zu werden und zwar aus tausend Augen. Naja, nicht ganz. Jedenfalls fühlte ich, wie meine Bewegungen eine simultane Antwort in den zahlreichen Blasen erfuhr, die durch die dicken ins Wasser fallenden Regentropfen erzeugt worden waren. Es waren alles Spiegelbilder meiner selbst und zwar in jeder Blase gleich mehrfach.
Wie solche Basen entstehen, hat bereits Francis Bacon (1561 – 1626) vor etwa 400 Jahren zu erklären versucht. Die neuzeitlichen Wissenschaften waren gerade im Entstehen begriffen. Bacon schreibt (in einer etwas altertümlichen Übersetzung aus dem Lateinischen):
Auch die Eigenschaft des Leichten, dass es nach oben steigt, schwankt etwas; als Bündniss-Fall kann hier die Wasserblase gelten. Ist die Luft unter dem Wasser, so steigt sie schnell nach dessen Oberfläche, und zwar durch jene schlagende Bewegung, wie Demokrit sie nennt, durch welche das niedersteigende Wasser die Luft schlägt und nach oben treibt, aber nicht durch das Bestreben und Drängen der Luft für sich.  Sobald sie zur Oberfläche des Wassers gelangt ist, wird die Luft am weitem Aufsteigen durch einen leisen Widerstand des Wassers gehemmt, da dieses sich nicht sofort zerreissen lässt. Deshalb ist das Drängen der Luft nach Oben nur sehr schwach.*
Auch wenn man das heute im Lichte der neuzeitlichen Physik präziser beschreibt, ist es doch erstaunlich, dass man bereits damals ein Auge für die kleinen Dinge des Alltags hatte – vielleicht sogar mehr als heute.
Übrigens tauchen die Selfies in jeder der Blasen gleich mehrfach auf…

* Francis Bacon. Neues Organon: Große Erneuerung der Wissenschaften. Berlin 2017, S. 176

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

Ein gefrorener Teich mit blauen Augen

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 50/6 (2019), S. 305

Ein harmloser Blick in einen zugefrorenen Teich bei Sonnenlicht wirft einige physikalische Fragen auf, die sich erst mit Hilfe von leicht zu übersehenden Indizien beantworten lassen.

Indem uns der Winter den festen Aggregatzustand des Wassers in unterschiedlichen Formen präsentiert, bietet er oft ungewohnte physikalische Situationen. Im oberen Foto sind gleich mehrere bemerkenswerte Phänomene zu beobachten. Man blickt durch die transparente Eisschicht auf den vom Sonnenlicht erhellten Grund eines Teiches. Dicht unter der Oberfläche zeigen sich einige Blasen, von denen die größte einen Durchmesser von etwa 3 cm hat. Weiterlesen →

Selfies und ihr plötzliches Verschwinden

Als ich mich dem Teich näherte, hatte ich den Eindruck intensiv aus vielen Augen angeglotzt zu werden. Als ich näher kam, erwies sich dieser Eindruck auf unerwartete Weise korrekt. Ich sah mich selbst auf zahlreichen Halbblasen, die der Springbrunnen hinterlassen hatte, abgespiegelt. Selfies an einem so ungewöhnlichem Ort ist schon etwas Besonderes. Aber in der Vielzahl erschien mir das dann doch ein wenig übertrieben. Irgendwie war das auch den Blasen klar – eine nach der anderen platzte und verschwand und nahm das Spiegelbild gleich mit. Wo die wässrige Substanz der Blase – Wasser – geblieben ist, weiß ich. Aber was ist aus den Bildern, meinen Selfies, geworden?

Vielleicht helfen uns die Worte von Michel Foucault (1926 – 1984): Dieses Verschwinden, dieses Aufgehen des Endlichen ist keine einfache Möglichkeit, die sich verwirklichen läßt oder nicht, sondern die Natur der Dinge ist eine solche, daß sie den Keim ihres Verschwindens in sich tragen. Die Stunde der Geburt ist zugleich die ihres Todes.

Übrigens: Wenn man genau hinschaut, sieht man, dass jede Halbblase mehrere Spiegelbilder zeigt. Wie viele? Und wie kommen sie zustande?

Volcanes diminutos en la playa

H. Joachim Schlichting. Investigación y Ciencia 6 (2019) Curiosidades de la física

Las mareas pueden provocar la formación de agujeros y pequeños montículos en la superficie de la playa. El fenómeno obedece al flujo del aire a través del sistema capilar que esconde la arena.
Cuando baja la marea y el agua se retira, la zona más alejada de la orilla queda repleta de agujeros y pequeñas protuberancias cónicas. El fenómeno se debe al flujo del aire por los capilares que forma la arena bajo la superficie.
En algunas playas, cuando caminamos sobre la zona del terreno que durante la bajamar se encuentra alejada del agua, a veces parecerá que estemos andando sobre algodones. Nuestros pies se hundirán profundamente en la arena y podremos comprobar que, al contrario de lo que suele ocurrir mucho más cerca de la orilla, allí no se ha creado una superficie firme.
Más aún, en esas partes blandas del terreno podremos ver con frecuencia un buen número de agujeros, así como verdaderas protuberancias, como si se tratase de pequeños volcanes. Y si tomamos del suelo un puñado de arena, con cuidado para no aplastarla, nos encontraremos con una especie de «espuma»: una estructura salpicada de cavidades de distintos tamaños. ¿A qué se debe este fenómeno?

Capilares subterráneos
Si observamos el fenómeno durante varios días, podremos comprobar que la responsable de esta filtración de aire a través de la arena es la marea. La arena consta de granos de forma irregular que solo se tocan en algunos puntos, por lo que dejan entre medias un sistema de capilares interconectados. Cuando el agua se filtra desde arriba, desplaza con su peso el aire contenido en esos capilares. Sin embargo, este no podrá escapar indefinidamente hacia abajo, ya que antes o después se encontrará con el nivel freático del agua subterránea, la cual ya habrá llenado los espacios vacíos inferiores. Así pues, cuando sube la marea, el agua empuja el aire y lo dirige hacia arriba (véase la ilustración).
Lo anterior hace que aumente la presión del gas, ya que los estrechos capilares oponen resistencia a la circulación. Se trata de un fenómeno parecido al que tiene lugar cuando intentamos expulsar el agua de una jeringuilla que contiene en su interior una burbuja de aire: el pistón comprimirá la burbuja de manera considerable. Expuestas a una presión semejante, las delgadas corrientes de aire que circulan bajo el suelo se unirán tan pronto como entren en contacto y, antes o después, prorrumpirán en la superficie.
Cuando eso ocurre, aparecen agujeros en algunos sitios del suelo y, en otros, pequeños abultamientos cónicos, los cuales se formarán siempre que la capa superior posea partes herméticas (y que, por tanto, impidan el paso del aire). Ambas estructuras dan lugar a la «espuma de arena» que mencionábamos al principio, y cuando baje la marea podremos verla con claridad. Si seccionamos cuidadosamente los conos con un cuchillo, nos convenceremos de que realmente existen cavidades bajo las protuberancias.
Cuando sube el nivel del mar, a veces es posible apreciar la manera en que el rítmico ir y venir de las olas inunda los agujeros y los deja libres de nuevo. Justo en el borde del agua, donde la profundidad es de tan solo unos pocos centímetros, pueden verse cómo salen burbujas de los agujeros anegados. La bajada de la marea vuelve a drenar el sistema capilar, ahora lleno, y las grandes cavidades. Ello reduce la presión y hace que se absorba aire; entretanto, a veces aparecen nuevos agujeros.

Explosionsspuren im Gartenteich

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 6 (2019) S. 58 – 59

Was ist aber aus der Blase indessen geworden?
Sie ist ja zerplatzt ins Nichts,
wo ist nun noch eine Spur der Majestät,
mit der sie umkleidet war?
Bettina von Arnim (1785–1859)

Luftblasen, die auf der Wasseroberfläche schwimmen, platzen irgendwann – und lösen mehrere physikalische Prozesse aus. Dabei ist die treibende Kraft die Oberflächenspannung des Wassers. Weiterlesen →

Geheimnisvolle Minivulkane am Strand

Der aus hellen und dunklen Körnern bestehende Sand des Strands von Maspalomas (Gran Canaria) wird durch die Einwirkungen von Wind und Wasser ständig gemischt und auch wieder entmischt. Eine Entmischung in  getrennte Schichten hellen und dunklen Sands  wird beispielsweise durch Winde bewirkt, die über einen längeren Zeitraum aus einer bestimmten Richtung wehen. Dabei spielen die unterschiedliche Dichte der Sandarten eine wesentliche Rolle.
Wenn sich die Windrichtung ändert oder der geschichtete Sand den Wirkungen von Ebbe und Flut ausgesetzt ist, entstehen wieder andere Muster, bei deren individueller Ausgestaltung zufällige Einflüsse von Bedeutung sind und unter dem menschlichen Blick zu Pareidolien führen.
Wenn man aber auf einfach geometrische Gebilde stößt, wie etwa die in dem Foto zu sehenden Kreis- und Ringgebilde, fällt es schwer darin rein zufällige Hervorbringungen zu sehen. In der Tat liegt ihnen ein komplexes Geschehen zugrunde. Wie bereits an anderer Stelle ausfühlicher beschrieben, handelt es sich um waagereche Schnitte durch kleine wenige Zentimeter hohe abgerundete Sandkegel, die von der letzten Flut zurückgeblieben sind. Der durch das auflaufende Wasser ansteigende Grundwasserspiegel hat dazu geführt, dass die in den Kapillarsystemen des trockenen Sands enthaltene Luft ausgetrieben und durch Wasser ersetzt wurde. Dabei ist eine Art unterirdisches Flussnetzwerk entstanden, allerdings in drei Dimensionen, in dem sich die winzigen Wasserströme vereinigen und schließlich zur Oberfläche vordringen. Durch die nach oben hin verdrängte Luft wird an bestimmten Stellen die oberste Sandschicht zu Sandkegeln aufgeblasen. Sie bleiben aufgrund ihrer gewölbeartigen Bauweise in den meisten Fällen auch dann erhalten, wenn der Druck nachlässt und das Wasser sich bei Ebbe wieder zurückzieht. Das trockengelegte Kapillarsystem wird dabei wieder weitgehend durch Luft gefüllt.
Sofern diese minivulkanartigen Kegelbauten, die oft an Hervorbringungen von kleinen Tieren erinnern, bis zur nächsten Flut überleben, werden sie durch das auf- und ablaufende Wasser abgetragen, sodass wie bei einem Kegelschnitt die Sandschichtung in Form von Ringen sichtbar wird (Foto). Man findet diese Ringsysteme vorwiegend am äußersten Wassersaum des Hochwassers.
Wenn das nächste Hochwasser nicht so weit reicht, bleiben oft ganze Felder derartiger Sandpusteln erhalten. Wie stark dieser Bereich mit Luft „aufgeblasen“ wurde, merkt man daran, dass es sich in diesen Gebieten anfühlt, wie auf Watte zu laufen. Man sinkt mit den Füßen relativ tief in den luftdurchwirkten Sand ein. Das vermittelt den Strandwanderern, denen nicht an ein schnelles Vorankommen gelegen ist, ein angenehmes Gefühl der Leichtigkeit und Luftigkeit unter den Füßen. Schnelleres Laufen wird allerdings anstrengend im krassen Unterschied zum ansonsten festen sandigen Untergrund in der Nähe des Wassers.

Rätselfoto des Monats Mai 2019

Warum dominiert die Kreisförmigkeit?

Erklärung des Rätselfotos des Monat April 2019

Frage: Was schwant uns hier?
Antwort: Die Frage ist zugegebenermaßen nicht ganz präzise und eines physikalischen Phänomens unwürdig gestellt. Die Rechtfertigung besteht darin, dass das Foto auch nicht ganz ernst zu nehmen ist, weil es absichtlich auf den Kopf gestellt wurde. Das haben einige der Kommentaroren auch bemerkt. Dieser Gag wird zum einen dadurch gerechtfertigt, dass das Foto am 1. April gezeigt wurde und zum anderen dadurch, dass man auf diese Weise vielleicht auf eine Diskrepanz stößt: Denn mit der Farbsättigung des weißen Gefieders des Schwans stimmt etwas nicht. Es kann nicht sein, dass die Spiegelung im Wasser eine größere Lichtintensität aufweist als der reale Schwan. Schließlich wird nur ein Teil des auf dem Wasser auftreffenden Lichts in Abhängigkeit vom Einfallswinkel reflektiert; der Rest wird vom Wasser absorbiert.
Die Intensität des weißen Lichts, das direkt vom Gefieder diffus reflektiert wird, ist sogar so groß, dass wir es mit einer Irradiation (Überstrahlung) zu tun haben. Auf diese Weise verschwinden Konturen, die durch Schattierungen hervorgerufen werden. Daher sind in der wesentlich geringeren Lichtintensität, die vom gespiegelten Schwan ausgeht, die Strukturen zu erkennen, die beim realen Schwan überstrahlt wurden.
Eine weitere Konsequenz der Bildverkehrung ist in dem unnatürlich wirkenden Wasserberg zu sehen, der in Wirklichkeit aus der durch den schwimmenden Schwan erzeugten Bugwelle besteht.
Wer sich davon überzeugen möchte, wie das korrekt gedrehte Foto wirkt, sollte vor dem Bildschirm einen Hand- oder Kopfstand machen :-). Aber irgendwie habe ich auf dem Kopf stehend dass Gefühl, dass es noch eine einfachere Möglichkeit geben müsste; wenn es mir gelänge in dieser ungewöhnlichen Lage einen klaren Gedanken zu fassen. Naja, immerhin hat man als Nebeneffekt eine kleine sportliche Übung als Ausgleich für das ungesunde Vor-dem-Bildschirm-hocken.
Ich habe mich darüber gefreut, dass mehrere Blogfreunde*innen das Problem im Prinzip und weniger wortreich gelöst haben oder der Lösung sehr nahe waren.

Neues Phantom im Eis

Vor einigen Jahren hat mich ein Phantom im Eis fasziniert. Es handelte sich um eine Abbildung eines Fahrrads mit Hilfe zahlreicher Bläschen in der Eisschicht des Münsteraner Aasees. Das Fahrrad hatte seine letzte Ruhestätte auf dem Grund des Sees gefunden und machte sich auf diese Weise noch einmal bemerkbar.  Ich habe seinerzeit über das „Phantom im Eis“ berichtet. Weiterlesen →

Lasst die Korken knallen!

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 1 (2017) S. 62 – 63

In wenigen Stunden ist es Nacht, und das Jahr
geht zu Ende im Geknall der Champagnerpfropfen
und der Raketen.
Eugenio Montale (1896-1981)

Beim Öffnen einer Sektflasche nimmt der Druck darin schlagartig ab. Das kann verschiedenste Vorgänge zum Ausgleich der Kräfte anstoßen – vom sanften Prickeln bis zur Schaumfontäne.

Unter Sekt- und Champagnertrinkern gehört das Knallen der Korken nicht zum guten Ton. Viele Feiernde lassen es dennoch gern krachen, zumeist in ohnehin akustisch aufgeladener Atmosphäre wie etwa beim Begrüßen des neuen Jahrs. Obwohl es in so einer Umgebung schwer ist, leise Töne wahrzunehmen, lohnt es sich, genauer hinzuhören. Nicht nur das Zischen beim Eingießen in das Spitzglas, auch die feinen Implosionen, mit denen die winzigen Blasen auf der Oberfläche des Getränks ihr Leben aushauchen, gehören zum Gesamterlebnis. Was treibt diese Prozesse an?

PDF: Lasst die Korken knallen!

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 →

Neugierige Blasen auf dem Teich. Was glotzt ihr?

Ich sitze am Teich und lese. Plötzlich spüre ich, dass mich jemand beobachtet. Es ist aber weit und breit keiner da – bis auf einige Blasen auf der Wasseroberfläche, die mich anzuglotzen scheinen. Als ich mich nähere, scheint mich ihr Blick simultan zu verfolgen. Es ist mein Spiegelbild auf den glänzenden Hemisphären aus sphärisch gespanntem Teichwasser, das – wie ich mich auch drehe und wende – wie die Pupillen mich fixierender Augen immer genau auf mich ausgerichtet ist. Weiterlesen →