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Grenzfläche

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Multiphänomenal

Ein Blatt, das im stürmischen Regenschauer vom Baum heruntergerissen kommt rücklings auf dem Boden zu liegen. Einige versprengte Wassertropfen sind in muldenförmigen Vertiefungen des Blatts zur Ruhe gekommen, malerisch inszeniert durch die inzwischen wieder dominierende Sonne. Das zeigt sich nicht nur in den Schattierungen des Blattes, sondern auch in den hellen Lichtflecken. Diese kommen dadurch zustande, dass die Wassertropfen wie Sammellinsen wirken und das Licht auf einen Lichtfleck fokussieren. Dieser ist im Vergleich zur Umgebung so hell, dass die grüne Farbe des Blattes überstrahlt wird (Irradiation bzw. Blooming). Außerdem wirkt die Tropfenlinse als Lupe und zeigt die Struktur des Blattes in leicht vergrößerter Form.
Dass der aufprallende Regen sich in Tropfen sammelt ist der Minimierung der Grenzflächenenergie zwischen Wasser, Blatt und Luft zu verdanken. Um die Grenzflächenenergie zu minimieren strebt das Wasser die Form an, die unter den gegebenen Bedingungen die kleinste Grenzfläche hat – das ist die Kugel. Sie wird allerdings näherungsweise nur von den kleinen Tropfen erreicht, weil einerseits der Einfluss der Schwerkraft umso geringer ist, je kleiner die Masse der Tropfen ist und andererseits für die Ausbildung einer Grenzfläche mit dem Blatt verhältnismäßig viel Energie nötig ist. Man sagt auch, das Blatt sei hydrophob. Die Hydrophobie wird hauptsächlich durch winzige Härchen auf den Blättern hervorgerufen, auf denen die Tropfen gewissermaßen ruhen und daher nur winzige Berührflächen mit dem Blatt haben.
Trotzdem oder vielleicht gerade deshalb ein naturschöner Anblick.

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Anhängliche Seifenblase

Die Seifenblase hat das grüne Weinblatt in seine Oberfläche integriert. Der kleine Zweig schräg darüber befindet sich außerhalb der Blase.

Seifenblasen bestehen aus einem kugelförmigen Film aus Seifenwasser, der innen mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt und außen von Luft umgeben ist. Wenn man Seifenblasen auf die Reise schickt, so kommen sie meist nicht sehr weit, weil sie vorher platzen. Ihre Lebensdauer ist vor allem aus zwei Gründen stark begrenzt. Der Wasserfilm wird zum einen durch Verdunstung von Wasser und zum anderen durch das schwerkraftbedingte Abfließen von Wasser immer dünner. Wenn man genau hinschaut, sieht man unten an der Blase einen entsprechend wachsenden Wassertropfen hängen.
Da die Natur dazu tendiert unter den gegebenen Umständen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben (2. Hauptsatz der Thermodynamik), wird die Oberfläche des Seifenfilms so klein wie möglich. Denn die Oberflächenenergie ist proportional zur Oberfläche. Das erklärt zum einen, warum die Seifenblase Kugelgestalt hat, zum anderen, dass die Luft im Innern des Seifenfilms zusammengepresst wird, bis der dadurch entstehende Innendruck einer Verkleinerung der Blase Einhalt gebietet.
Sobald die Dicke der Seifenhaut ein kritisches Maß unterschreitet, führt der Innendruck zum Platzen der Blase. Die Blase platzt manchmal auch schon vorher, wenn sie beispielsweise mit bestimmten Hindernissen kollidiert und zerrissen wird. Denn sobald ein Loch in der Seifenhaut entsteht, entweicht das Gas aus dem Innern und der Wasserfilm schnurrt zu Wassertropfen zusammen. Jeder kennt den enttäuschenden Versuch von Kindern, Seifenblasen aufzufangen. Sobald die Blase berührt wird, zerplatzt der schöne Traum. Weil die Haut der Hände wasserliebend (hydrophil) ist, sich also benetzen „möchte“ saugt diese bei Berührung gewissermaßen das Wasser aus der Blase.
Ähnliches gilt für viele weitere Gegenstände. Interessanterweise gehören manche Blätter nicht dazu. Im Gegenteil, die Seifenblase integriert manchmal eine Blattoberfläche in ihre eigene mit ein und bleibt an dem Blatt hängen (siehe Foto). Dies ist vor allem dann der Fall, wenn das Blatt feucht ist. Auf diese Weise – bis auf kleine windbedingte Schwankungen immobil geworden – überlebt die Blase in vielen Fällen erstaunlich lange. Man kann die Blase von allen Seiten betrachten und dabei die Spiegelungen von Gegenständen im Zusammenspiel mit den Gegenständen selbst genießen, sowie das farbliche Irisieren der Seifenhaut bewundern.

Weinender Wein

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

Wie oft ein Glas Wein ein System erzeugt

Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799)

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

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

Quelle

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

Originalversion: Weinender Wein

Milchkaffee zwischen Kunst und Physik

Wenn man in Italien einen Cappuccino bestellt, kann es passieren, dass einem ein Kunstwerk präsentiert wird, bei dem aus den Brauntönen des Kaffees und dem Weiß des Milchschaums blumenartige Strukturen gestaltet wurden. Inzwischen hat sich diese künstlerische Aufwertung des Kaffeegenusses auch in unseren Breiten verbreitet. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats November 2019

Wie kommt es zu dem Nebelstreifen? Weiterlesen

Tropfen und Pixel

Tropfen und Pixel habe ich dieses „Kunstwerk“ genannt. Es ist insofern künstlich, als es ein Phänomen auf einem technischen Gerät darstellt. Man sieht hier einen Ausschnitt aus einem Smartphone-Display. Ich hatte dieses mit einem feuchten Finger berührt und wurde durch ein Glitzern auf die hinterlassene Struktur aufmerksam. Von Nahem zeigte sich dann das, was auf dem Foto zu sehen ist.  Die vom Finger auf das Display flächenhaft übertragene Feuchtigkeit hatte sich zu winzigen Tröpfchen umgeformt. Offenbar konnte auf diese Weise Grenzflächenenergie des Wassers mit dem Glas des Displays einerseits und der Luft andererseits eingespart und an die Umgebung abgegeben werden. Denn die Natur strebt dazu unter den gegebenen Umständen immer so viel Energie wie möglich zu entwerten.
Die Farben kommen dadurch zustande, dass das Display ein Gitter enthält, an dem das einfallende Licht der Umgebung auf vielfältige Weise gebeugt und dadurch in Spektralfarben zerlegt wird.
Das kleine Phänomen zeigt einmal mehr, dass sich vieles unterhalb der normalen Wahrnehmungsschwelle abspielt, das uns normalerweise entgeht.

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.

Ein reinigender Regen

Es regnete so stark, daß alle Schweine rein
und alle Menschen dreckig wurden.

Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Bei einer Wanderung werde ich von einem Regenschauer überrascht. Meine Hose wird mit Dreckspritzern übersät, die die prasselnden Regentropfen vom matschigen Boden auslösen. Als ich beginne, mich darüber zu ärgern, fällt mein Blick auf einige Blätter, die auf dem dreckigen Boden wie „abgeleckt“ aussehen. (Vergrößern durch Klicken.) Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2019

Wie kommt es zu dieser „Schneerolle“?


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Überlebensstarke Schneespuren

Der Schnee ist schon längst wieder weg, aber eine Spur hat sich erstaunlich lange gehalten. Wie kam es dazu? Der Fußabdruck entstand dadurch, dass der feuchte, poröse und luftdurchsetzte Schnee durch das Körpergewicht eines Menschen auf den Bruchteil seiner ursprünglichen Dicke komprimiert wurde. Der aus einem lockeren Gewebe filigraner Eiskristalle bestehende Schnee wurde durch die Kraft des auftretenden Fußes zusammengedrückt. Die Kristalle kamen dadurch in innige Verbindung und wurden miteinander „verschweißt“, d.h. sie froren zu einem kompakten, vereisten Gebilde zusammen. Weiterlesen

Fliegen – zwischen Ärgernis und Bewunderung

Fliegen haben es mir angetan. Diese Sympathie übertrifft bei weitem die Antipathie, die manchmal bei allzu aufdringlichen Besuchen aufkommt. Dabei tun die Fliegen einem eigentlich nichts. Das auf die Dauer nervige Summen bzw. Brummen ist eine physikalische Nebenwirkung ihres Flugs. Die Flügel bewegen sich einfach so schnell auf und ab, dass die Schwingung eine Frequenz erreicht, die im akustischen Bereich liegt. Je kleiner die Fliege, desto größer die Flügelfrequenz und desto höher der Ton. Und wenn sie einem über den nackten Arm oder gar im Gesicht herumspazieren, entsteht ein störendes Kitzeln, an das ich mich nie gewöhnen konnte. Vielleicht liegt es ja zum Teil an der Technik, mit der sich diese winzigen Tierchen an unserem Körper anklammern. Weiterlesen

Reflexionen im und über grasgrünen Tee

Grüner Tee wird oft so dünn getrunken, dass  er fast so transparent ist wie Wasser. Oft merkt man erst, dass es sich um Tee handelt, wenn die Tasse ziemlich gefüllt ist. Im vorliegenden Fall handelt es sich – wie man sieht auch um grünen Tee. Allerdings taucht nur an einigen Stellen in einem ansonsten trüben Grau mit einem leichten Blaustich auf. Das ist ein Zugeständnis an die Gesetze der Optik. Denn es handelt sich nur um ein geliehenes Grün. An den Stellen, an denen das vom grünen Rasen ausgehende Licht an den unebenen Grenzflächen des Teestrahls mit der Luft so reflektiert und/oder gebrochen wird, dass es unsere Augen erreicht, erscheint es grün. Dominierend ist die Farbe des Himmels, wie man durch direkten Vergleich erkennen kann.
Geschmeckt hat er uns trotzdem.

Können Tropfen Tropfen haben?

Die Situation ist an sich trivial. Ich habe wegen leichten Nieselregens den in der Reparatur befindlichen Balkon mit einer transparenten Folie abgedeckt. Nach und nach wurde er mit kleinen Tröpfchen bedeckt, die sich je nach gegenseitiger Attraktivität* allmählich zu größeren Tropfen zusammenfinden und  den unebenen Gegegebenheiten der Folie entsprechend zuweilen längliche Gebilde darstellen. Nur eines tun sie nicht: sie bilden keinen Supertropfen, der die ganze Folie gleichmäßig bedeckt. Vielmehr wahren sie den Abstand soweit die Bedingungen es erlauben. Weiterlesen

Surfende Wassertropfen

Bei einem Experiment fällt Wasser senkrecht aus einer Düse über einer Wasseroberfläche. Die einzelnen Tropfen bewegen sich noch eine Zeitlang vom Punkt des Auftreffens weg, bevor sie untergehen.

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaften 2 (2018), S. 60 -61

Manche Wassertropfen driften eine Zeitlang auf einer Wasseroberfläche, ohne mit dieser sofort zu verschmelzen. Das könnte an einem Luftpolster liegen, doch womöglich sind die physikalischen Effekte komplizierter als gedacht.

Und müssen Tropfen fallen,
wenn wir entzückt werden sollen?
Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

Wenn ich an einem Springbrunnen sitze, achte ich neuerdings immer wieder auf die winzigen Tropfen, die jeweils kurze Zeit über die Wasseroberfläche im Becken treiben. Ich warte dann auf den Moment, in dem sie mit der Oberfläche verschmelzen. Die flinken Tröpfchen verschwinden dabei plötzlich und spurlos. Das unterscheidet sie von den meist größeren, träge auf dem Wasser ruhenden Blasen. Es drängt sich aber die Frage auf, warum die Tropfen überhaupt noch eine kleine Weile auf der Oberfläche kursieren und sich nicht sofort mit dem Wasser vereinigen, obwohl sie doch aus demselben Stoff bestehen.
Das Phänomen erinnert mich an einen ähnlichen Vorgang beim Kaffeezubereiten: Wenn der Kaffee vom Filter in die Kanne tropft, huschen oft ebenfalls kleine Kugeln über die Oberfläche des Getränks, um nach ihrem kurzen Ausflug ebenso unvermittelt zu verschwinden wie ihre Verwandten auf dem Teichwasser. In diesem Fall ist die Situation etwas anders, weil ein Temperaturunterschied zwischen der schon etwas abgekühlten Kaffeeoberfläche und dem heißen Tröpfchen besteht. Die Grenzflächenspannung ist nämlich temperaturabhängig, und durch einen Marangoni-Strömung genannten Effekt wird Flüssigkeit von einer Stelle mit einer geringeren Oberflächenspannung zu einer mit höherer transportiert. Das entspricht hier einer Ausgleichsströmung von der warmen Seite zur kühleren.
Nähert sich ein heißer Tropfen der Oberfläche des Kaffees, kühlt er an der Unterseite rasch ab. Die dorthin laufende Mikroströmung von wärmeren Bereichen des Tropfens reißt angrenzende Luftpartikel mit und bildet temporär ein Luftpolster (siehe Illustration). Es erscheint plausibel, dass das die Vereinigung verzögert – im Prinzip kennen wir so etwas bereits vom »Leidenfrost-Effekt« bei langlebigen Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte (siehe »Wassertropfen auf der Rennbahn«, Spektrum Dezember 2016, S. 48).

Das Strömungsfeld eines heißen Tropfens über einer kühleren Wasseroberfläche führt Umgebungsluft in die Zwischenschicht. Der Abstand ist übertrieben gezeichnet, um die Richtung des mitgenommenen Luftfilms zu zeigen.

Von Temperaturdifferenzen zwischen Tropfen und Wasseroberfläche kann bei meinen Beobachtungen am Springbrunnen allerdings kaum die Rede sein. Offenbar ist dort trotz der phänomenologischen Ähnlichkeit ein anderer Effekt im Spiel.
Da die Erscheinung relativ leicht zu beobachten ist, haben sich Wissenschaftler schon früh damit auseinandergesetzt. Als erster veröffentlichte 1889 Lord Rayleigh (1842–1919) Arbeiten dazu. Er hielt für den Zeitpunkt der Verschmelzung vor allem die Verdrängung der Luftschicht zwischen Tropfen und Flüssigkeit für ausschlaggebend. Bei seinen Untersuchungen stellte er zahlreiche Einflussfaktoren fest. Dazu zählen die Oberflächenspannung, Viskosität und Löslichkeit der aufeinandertreffenden Substanzen sowie Verunreinigungen und statische elektrische Ladungen.
Die wissenschaftliche Diskussion ist seitdem nie ganz abgerissen. Unter kontrollierten Bedingungen lässt sich die Zahl der Einflussfaktoren immerhin verkleinern. Wenn man sich auf Tropfen aus reinem Wasser beschränkt, die man auf eine ebenso reine Wasseroberfläche fallen lässt, ergibt sich folgender Forschungsstand: Ab einer bestimmten Mindesthöhe verschmilzt der Tropfen stets unmittelbar. Auf unseren Springbrunnen bezogen heißt das, die aus relativ großer Höhe herunterfallenden Wassertropfen bleiben nicht selbst auf der Wasseroberfläche, sondern lösen durch ihren Aufprall Sekundärtropfen heraus. Diese fallen dann aus hinreichend niedriger Höhe zurück, wobei dann einige von ihnen einer sofortigen Vereinigung entziehen um noch ein wenig umher zu driften. In den Laborexperimenten zeigte sich zudem, was wir von den auf dem Kaffee tanzenden heißen Tropfen kennen. Ab einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen Tropfen und Flüssigkeit lässt sich die Verschmelzung sehr lange hinauszögern. Das erreicht man auch, wenn man die Flüssigkeitsoberfläche in Schwingung versetzt. Anschaulich gesprochen unterbricht die Bewegung die einsetzenden Vermischungsvorgänge immer wieder. Außerdem lässt sich, wie bereits Rayleigh festgestellt hat, der Zusammenschluss durch einen gezielten Einsatz elektrischer Ladungen verlangsamen oder beschleunigen.
Die wohl am weitesten verbreitete und am ehesten akzeptierte Erklärung für die driftenden Tropfen ist die Luftkissenhypothese. Demnach unterbleibt die Vereinigung solange, bis die zwischen den Grenzflächen eingeschlossene Luftschicht verschwunden ist. Viele Wissenschaftler sehen eine eindrucksvolle Bestätigung dafür insbesondere in »Newtonschen Ringen« zwischen dem Tropfen und der Flüssigkeitsoberfläche. Newtonsche Ringe sind der Ausdruck eines Interferenzphänomens, bei dem Lichtwellen in einer dünnen Luftschicht von der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts gebrochen, reflektiert und zur Überlagerung gebracht werden. Das löscht bestimmte Anteile des Spektrums aus oder verstärkt sie, was sich an Stellen jeweils gleicher Schichtdicke durch farbige Ringe zeigt.
Allerdings äußern einige Forscher Zweifel an dieser Hypothese und führen alternative Erklärungen gegen die vermeintlichen Beweise an. So lasse die Reproduzierbarkeit des Phänomens zu wünschen übrig: Bei noch so großen Bemühungen, gleiche Versuchsbedingungen einzuhalten, wären sowohl sofortige Verschmelzungen als auch lange Lebensdauern der Tropfen feststellbar. Aus der Luftkissenhypothese sollte im Übrigen folgen, dass bei abnehmendem Luftdruck die Luftschicht zwischen Tropfen und Flüssigkeit ausgedünnt und damit die Verweildauer drastisch reduziert würde. Bei Wasser ist das aber mitnichten der Fall. In einigen Versuchen stellte man im Gegenteil sogar eine längere Lebensdauer der Tropfen fest.
Vor diesem Hintergrund schlagen einige Forscher ein alternatives Modell für das Phänomen vor. Sie zeigen, dass auf der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft teilweise größere Schichten geordneter Wassermoleküle existieren. Diese könnten – so ihre Argumentation – wie eine Barriere wirken und ähnlich wie bei der Luftkissenhypothese die Wassermoleküle des Tropfens solange auf Abstand halten, bis die Schicht weit genug ausgedünnt ist. Erst dann überwiegen die molekularen Anziehungskräfte und führen eine Vereinigung herbei.
Das Geheimnis der driftenden Tropfen ist also noch nicht vollständig gelüftet. Das macht es umso spannender, sie am Springbrunnenteich und anderswo weiter zu beobachten.

Quellen
Klyuzhin, I. S. et al.: Persisting Water Droplets on Water Surfaces. In: Journal of Physical Chemistry B 114, 14020–14027, 2010
Neitzel, G. P., dell’Aversana, P.: Noncoalescence and Nonwetting Behavior of Liquids. In: Annual Review of Fluid Mechanics 34, S. 267–289, 2002

PDF : Warum gehen Wassertropfen manchmal nicht unter?

Video: Auf Wasser surfende Wassertropfen

Wie Sand am Strand

Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 159/160 (2017) S. 56 – 57

Trockener Sand rinnt wie eine Flüssigkeit durch die Finger. Vom Wind verweht, bildet es jedoch teilweise sehr komplexe wellenartige Muster aus, die sich als Sandrippel und Sanddünen fortbewegen. Am Strand sinkt man tief in den trockenen Sand ein. Es ist anstrengend darüber zu laufen. Lässt man den Sand in Gefäße fließen, so nimmt er nahezu wie eine Flüssigkeit die Gefäßform an.
Aber kaum gerät Sand mit Wasser, dem Inbegriff einer echten Flüssigkeit, in Berührung, ist plötzlich alles anders: Feuchter Sand wird fest und am Meeressaum kann man ohne einzusinken auf ihm gehen. Er ist aber auch plastisch formbar und taugt zum Bau von Sandburgen und anderen Skulpturen. Doch sobald durch die aufkommende Flut oder andere Umstände die Wässerung überhandnimmt, zerrinnen die Burgen und fließen die Pisten der Läufer dahin. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Oktober 2015

117_Farben-schwingenden-SeiBewegte Farben – wie entstehen sie? Gesehen im Science Center Phaeno

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Tropfenbelastete Pflanzen

Rätselfoto des Monats September 2015

116_Tropfenbelastete-Pflanzen

Warum „sammelt“ das Gras so viel Wasser?

Erklärung zum Rätselfoto vom Vormonat: Heiligenschein im klaren Wasser

El secreto de los castillos de arena

SandburgH. Joachim Schlichting. In: Investigación y Ciencia 7 (2015)

La razón por la que un castillo de arena no se desmorona reside en que su estabilidad apenas depende de la proporción exacta de agua y arena. Hasta hace poco, los científicos ignoraban por qué ocurre así.

La arena resulta tan difícil de atrapar como un líquido. Si está seca, se nos escapa de las manos, forma dunas que avanzan como olas —aunque mucho más despacio— y, cuando se introduce en un recipiente, adopta la forma de este, tal y como haría un fluido. Sin embargo, al mínimo contacto con el agua, el ejemplo de líquido por excelencia, todo cambia. Una masa de arena mojada es mucho más que la suma de los fluidos que la componen: cesa de fluir y se deja modelar en formas estables de todo tipo.
A primera vista, la explicación parece sencilla. Cuando la arena comienza a apelmazarse por efecto del agua, una proporción considerable de la energía previamente almacenada en forma de tensión superficial se cede al entorno. Por tanto, quien desee remodelar los grumos que se formen tendrá que añadir de nuevo dicha energía al sistema.
Sin embargo, mientras que un pastel necesita que sus ingredientes se encuentren en proporciones muy precisas para adquirir la consistencia adecuada, lograr la mezcla correcta de agua y arena para levantar un castillo y que este no se derrumbe constituye, literalmente, un juego de niños. Ello se debe a que la rigidez de la mezcla prácticamente no depende del contenido de agua, al menos dentro de un abanico muy amplio de valores. Solo cuando la proporción supera cierto umbral (como cuando una corriente de agua se lleva los cimientos del castillo), la mezcla se licua de nuevo y comienza a «ondular» en el medio acuoso de modo similar a la arena seca impulsada por el viento. ¿A qué se debe?

Über das Wasser gehen

Wasserläufer
Abb. 1. Der hier zu Lande weit verbreitete gemeine Wasserläufer (Gerris lacustris) dellt mit seinen hydrophoben Füßen die Wasseroberfläche ein. Vor allem dank der Oberflächenspannung des Wassers bewegt er sich praktisch auf festem Boden.

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.

Abb. 2. Ausgewachsene Wasserläufer hinterlassen auf ihrem Weg oft eindrucksvolle Muster winziger Ringwellen. Jungtieren fehlt aber die Kraft, die Wasseroberfläche derart in Schwingung zu versetzen.

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).

Abb. 3. Mit seinen mittleren Beinen führt der Wasserläufer Gerris remigis ruderartige Bewegungen durch (Bilderserie Abb. 4), die zu u-förmigen Wirbeln führen (oben).

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.

Abb. 4. Mit seinen mittleren Beinen führt der Wasserläufer Gerris remigis ruderartige Bewegungen durch, die zu U-förmigen Wirbeln führen (Grafik oben). Foto: Wilfried Suhr

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 Ende des Teekanneneffekts

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

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

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

PDF: Das Ende des Teekanneneffekts

Rätselfoto des Monats Januar 2015

108_Pfützeneis_1

Wie entstehen die ringförmigen Muster im Pfützeneis?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Woher_kommt_das_Rot?


Rätselfoto des Monats November 2014

106_Kunstwerke-durch-KontakEine polierte Granitplatte nach einem Regenschauer. Wie kommt es zu den Strukturen?

Erklärung zum Rätselfoto des Vormonats: Schneckenspuren

Das Geheimnis der Sandburgen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 9 (2014), S. 44 – 45

Wer je ein Kind beseligt matschend im Sandkasten
oder am Meeresstrand beobachtete, der weiß,
daß in diesem glückhaft-tätigen Umgang
mit dem wäßrigen Erdenbrei
etwas Elementares geschieht.
Günter Altner (1936 – 2011)

Auch Kinder können stabile Sandburgen bauen, denn auf das genaue Mischungsverhältnis von Wasser und Sand kommt es kaum an. Warum das so ist, wissen Forscher aber erst seit wenigen Jahren!

Sand ist so schwer zu fassen wie eine Flüssigkeit. In trockenem Zustand rinnt er durch unsere Finger. Treibt ihn der Wind vor sich her, bildet er Dünen, die wie Wasserwellen – aber viel langsamer – zu wandern beginnen. In Gefäße gefüllt, nimmt er wie eine Flüssigkeit deren Form an. Kaum gerät Sand jedoch mit Wasser in Berührung, dem Inbegriff eines Fluids, ändert sich auf einen Schlag alles. Das System ist fortan mehr als die Summe seiner fluiden Teile: Feuchter Sand fließt nicht mehr, sondern lässt sich in nahezu beliebige feste Gestalt bringen.

Die Erklärung dafür ist auf den ersten Blick einfach. Wenn Sand unter Wasserzufuhr verklumpt, wird dabei verhältnismäßig viel Grenzflächenenergie an die Umgebung abgegeben. Wer die Form solcher Klumpen anschließend wieder verändern will, muss diese Energie reinvestieren. Doch während jeder Kuchen Zutaten mit genauestens aufeinander abgestimmten Mengenverhältnissen braucht, damit er die richtige Konsistenz bekommt, ist es kinderleicht, aus Sand und Wasser eine sandburgentaugliche Mischung zu erzeugen. Denn die wasserbedingte Steifigkeit des Sands ist über einen weiten Bereich nahezu unabhängig vom genauen Wassergehalt. Erst wenn dieser ein kritisches Maß übersteigt – etwa wenn auflaufendes Wasser am Strand die Fundamente der Burg umspült –, verflüssigt sich der Sand wieder. Dann »rieselt« er im flüssigen Medium ähnlich wie trockener Sand in der Luft. Warum ist das so?

Als Teilbereich der nichtlinearen Physik, die sich in den letzten Jahrzehnten als eigenständige Disziplin etabliert hat, erlangen feuchte Granulate in jüngerer Zeit immer mehr Aufmerksamkeit. Auch Wissenschaftler um Stephan Herminghaus vom Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation haben sich dieser Problematik angenommen. Ihre Ergebnisse gewinnen sie an winzigen Glaskügelchen; bei diesen müssen sie auf die unterschiedlichen Formen der »Sandkörner« keine Rücksicht nehmen, sondern können sich stattdessen auf ihre davon unabhängigen Eigenschaften konzentrieren.

Wenn sie ihre Resultate anschließend doch auf Sandkörner übertragen, müssen sie vor allem deren größere Rauigkeit berücksichtigen, die zu einem noch steiferen Endprodukt führt. Denn zum einen verhaken sich die Körner miteinander, zum anderen verfügen sie über mehr Kontaktstellen als Glaskugeln.

Sand und Wasser verbinden sich nach einem einfachen Grundprinzip miteinander. Zur Ausbildung einer Grenzfläche zwischen beiden Substanzen ist Grenzflächenenergie nötig. Dabei ist die Natur gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik bestrebt, möglichst wenig Energie zu investieren und stattdessen so viel davon wie möglich an die Umgebung abzugeben; sie tendiert also zur Ausbildung einer möglichst kleinen Grenzfläche. In der Realität führt dieses Prinzip zu einer gewissen Konkurrenz: Grenzflächen zwischen Sand und Wasser sind energetisch günstiger (bedürfen also weniger Energie) als die zwischen Wasser und Luft, so dass Erstere auf Kosten von Letzteren wachsen.
In unmittelbarer Nähe der Kontaktstellen zwischen den Sandkörnern ist der Konkurrenzvorteil besonders groß. Hier entstehen Grenzflächen zwischen Wasser und Sand mit nur wenig Wasser und benötigen damit noch weniger Grenzflächenenergie (Grafik links). Entsprechend viel Energie kann in die Umgebung abfließen. Dasselbe Prinzip lässt auch Wasser in einem dünnen Glasröhrchen – in einer Kapillare – gewissermaßen von selbst aufsteigen, weshalb man von Kapillarbrücken spricht. Diese fixieren die Sandkörner gegeneinander (Grafiken rechts), und der Sand beginnt fest zu werden. Wollte man die Körner wieder voneinander trennen oder sie auch nur gegeneinander verschieben, müsste man die vorher verloren gegangene Energie zurück in das System stecken, um die energiereicheren Grenzflächen zwischen Sand und Luft wiederherzustellen. Die Kraft, gegen die man dazu an arbeiten muss, macht die Steifigkeit und Festigkeit des nassen Sands aus.

Was in den Sandklumpen genau geschieht, beobachteten die Forscher mithilfe eines Röntgentomografen am Elektronensynchrotron des Institut Laue-Langevin in Grenoble. Wenn man die Kügelchen nach und nach befeuchtet, so stellten sie fest, steigt die Zahl der Kapillarbrücken pro Teilchen zunächst auf etwa sechs an. Bereits bei einem Flüssigkeitsanteil von etwa 2,5 Prozent Flüssigkeitsvolumen pro Granulatvolumen erreicht der Sand eine im folgenden nicht mehr steigerbare Stabilität. Bei weiterer Wasserzufuhr dehnen sich die Grenzflächen zwischen Teilchen und Flüssigkeit zwar soweit aus, dass sie mit benachbarten Kapillarbrücken zusammenfließen und größere Verbände bilden, die zu neuen, komplexeren Benetzungsstrukturen führen. Die mechanische Steifigkeit des Sandes bleibt aber bis etwa 16 Prozent Flüssigkeitsanteil im Wesentlichen konstant.

Die benetzten Flächen zwischen den kugelförmigen Teilchen treten erstmals dann miteinander in Verbindung, wenn sie einen Winkelbereich von 120 Grad einnehmen. Dabei fusionieren zunächst drei Kapillarbrücken zu einem Dreierverband. In dieser Situation ist es energetisch günstiger, wenn bei weiter zunehmender Wässerung das Wasser nun auch in die luftgefüllten Zwischenräume zwischen den Teilchen fließt. Denn dabei kann das System mehr Energie in die Umgebung abgeben, als wenn sich eine Grenzfläche mit eingeschlossenen Luftzwickeln ausbildete. Mit weiterer Wasserzufuhr wachsen die Dreiersysteme zu noch komplexeren Verbänden zusammen, während das zusätzliche Wasser einfach in den Zwischenräumen eingelagert wird. Die Steifigkeit und mechanische Stabilität des nassen Sands hängt also nicht mehr von der aufgenommenen Wassermenge ab, sondern stattdessen nur von der Größe der Teilchen und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit – jedenfalls solange noch genügend Hohlräume zu füllen sind und das Wasser das Granulat nicht einfach überschwemmt.

Für spielende Kinder und erwachsene Burgenbauer ist dies ein Glücksfall, ohne den ihr Freizeitvergnügen wohl kaum so populär geworden wäre. Außerdem hilft die Pufferfähigkeit des Sands für Wasser, die Lebensdauer der Burgen zu erhöhen: Es genügt, sie in mehr oder weniger großen Abständen zu »wässern«, um sie vor Austrocknung und Verfall zu bewahren.

Natürlich werden die Untersuchungen nicht der Burgenbauer zuliebe durchgeführt, die das gar nicht wissen müssen. Die Ergebnisse, insbesondere die vom Wassergehalt eines feuchten Granulats weitgehend unabhängige Steifigkeit, sind für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von großer Bedeutung. Das Verständnis des Verhaltens granulathaltiger Boden kann beispielsweise helfen Erdrutsche vorherzusagen. Außerdem hofft man mit diesen und darauf aufbauenden Erkenntnissen dazu beitragen zu können, die Erdölförderung in porösen Gesteinen effektiver zu machen.

PDF: Das Geheimnis der Sandburgen

Rätselfoto des Monats Juni 2014

101_Kugeltropfen_hydrophilWas denn nun, hydrophil oder hydrophob?

Erklärung zum Rätselfoto des Vormonats: Nebelbildung am Propeller

Lautlose Explosionen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/3 (2013), S.Clip_135 52-53

Bleiben Sie gelassen, wenn sich Rotwein über das weiße Tischtuch ergießt. Denn dabei können Sie einen komplexen Strukturbildungsprozess studieren.

Betrachte die Flecken an der Wand,
die Asche im Ofen,
die Wolken oder den Rinnstein
Beim genauen Beobachten
wirst du dort wunderbares
entdecken.
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Laulose Explosionen

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

Der „bergsteigende“ Korken

Schlichting, H. Joachim. Praxis der Naturwissenschaften – Physik 41/3, 45 (1992).

Ein auf einer Wasseroberfläche schwimmender Korken bewegt sich stets zum Rand des Gefäßes. Dieses Verhalten wird in Analogie zum Rollen einer Kugel auf einem konkaven Uhrglas diskutiert und physikalisch erklärt.

PDF: Der „bergsteigende“ Korken

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