//
Artikel Archiv

Nass

Diese Schlagwort ist 2 Beiträgen zugeordnet

Wie Spagetti erweichen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 11 (2021), S. 66 – 67

Was ein Häkchen werden will,
krümmt sich beizeiten

Sprichwort

Während harte Spagetti im heißen Wasser allmählich flexibel werden, läuft eine Reihe physikalischer Vorgänge ab. Diese lassen sich erstaunlich gut modellieren.

Es spricht wohl für die Beliebtheit der Spagetti, dass sich Fachleute mit dem Verhalten der dünnen Nudelstäbe seit Jahrzehnten wissenschaftlich auseinandersetzen. Vor einigen Jahren wurde bereits die vom Physiker Richard Feynman (1918–1988) gestellte Frage beantwortet, warum Spagetti kaum entzwei zu brechen sind. In den meisten Fällen entstehen nämlich nicht zwei, sondern drei oder manchmal auch mehr Bruchstücke (siehe »Spektrum« Juli 2016, S. 42). Rohe Spagetti gehören aus dem Blickwinkel der Kulinarik allerdings nicht gerade zu den interessantesten Lebensmitteln. Doch inzwischen hat die Forschung auch die gekochten Nudeln in den Blick genommen. 2020 haben zwei Ingenieurwissenschaftler von der University of California in Berkeley ein Modell vorgestellt, das die Mechanik des Übergangs beschreibt, bei dem Spagettistäbe vom festen in den weichen Zustand und wieder zurück wechseln.

Dabei knüpften sie an eine bekannte Situation an: Bei der Zubereitung werden die trockenen Spagetti in einen Topf mit heißem Wasser gegeben. Um sie nicht zerbrechen zu müssen, lehnt man sie oft zunächst an die Topfwand. Schon nach kurzer Zeit verformen sie sich und sinken tiefer ins Wasser. Was geht dabei in den Nudeln vor sich?

Spagetti werden wie die meisten Nudelarten aus Hartweizengrieß hergestellt. Grieß enthält Stärke und Eiweiße. Letztere kann man sich als mikroskopisch feine, miteinander verschlungene Fäden vorstellen, die Stärke wiederum entspricht winzigen Körnern. Der Grieß wird mit Wasser versetzt und der so entstehende Teig kräftig geknetet. Dabei entfalten sich die zunächst kompakt geknüllten Eiweißfäden und verfilzen mit der Stärke zu einem zusammenhängenden Teig. Die Verbindung ist so stark, dass später die gekochten Spagetti nicht zerfallen. Indem der Teig durch eine Düse gepresst wird, erhalten die einzelnen Stränge ihren runden Querschnitt. Eine vorsichtige Trocknung bringt schließlich die bekannte Form und Härte.

Das Zubereiten in kochendem Wasser macht den Herstellungsprozess gewissermaßen wieder rückgängig. Bei der Transformation von fest zu flexibel durchdringt die Flüssigkeit allmählich die fein poröse, Wasser liebende (hydrophile) Trockenteigmasse. Der Vorgang läuft von selbst ab, weil die Grenzflächenbildung zwischen Nudelsubstanz und Wasser weniger Energie erfordert als die zwischen Nudel und Luft. Mit kaltem Wasser würde die innere Benetzung allerdings sehr lange dauern. Mit der Temperatur eines Stoffs steigt die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit seiner mikroskopischen Bestandteile; eine Front heißer Wassermoleküle schreitet wesentlich schneller voran.

Das Wasser dringt zunächst radial in die harten Spagetti ein. Dabei pflanzt sich eine scharfkantige Grenzfläche zwischen dem kleiner werdenden trockenen Kern und dem wachsenden feuchten äußeren Ring fort. Die durchnässte Zone schwillt an und macht so die Verbindung von Stärke und Wasser sichtbar. Dabei werden die gewässerten Stäbe nicht nur dicker, sondern auch etwas länger. Zudem geliert die Stärke in den Außenbereichen des Rings. Diese Verkleisterung lässt die Nudel zusätzlich aufquellen und macht sich in einer mehr oder weniger ausgeprägten Klebrigkeit bemerkbar.

Nach meinen eigenen Messungen nimmt die Masse der ursprünglich harten Spagetti im gegarten, gut abgetropften Zustand um das 2,4-Fache zu. Eine kleine Menge eines Bestandteils des Stärkemehls (Amylose) wird ausgespült. Das erkennt man auch an der Trübung des Kochwassers.

An der trockenen Luft verdunstet das Wasser der weichen Spagetti wieder. Es kehrt sich sozusagen die Richtung des Flüssigkeitstransports durch die feinen Poren um, bis schließlich wieder harte Nudeln zurückbleiben. Abgesehen von geringen Geschmackseinbußen und Substanzverlusten an das Kochwasser verläuft die Trocknung nahezu reversibel.

Um die mechanischen Veränderungen beim Durchfeuchten genauer zu verstehen und modellmäßig zu erfassen, verfolgten die beiden  Forscher aus Berkeley die Veränderungen an einem einzelnen Spagetto. Diesen platzierten sie so in heißem Wasser, dass er mit dem einen Ende den Boden und mit dem anderen die Wand des Gefäßes berührte.

Während der Anteil der harten Substanz allmählich abnimmt, sinkt auch die Biegesteifigkeit. Sie reicht schließlich nicht mehr aus, um die durch die Schwerkraft bedingten Biegemomente der Nudel zu kompensieren – letztere beginnt, durchzuhängen. Indem sie sich dabei immer mehr an die Wand anschmiegt, rutscht der obere Berührpunkt herab. Gleichzeitig nähert sie sich im unteren Bereich dem Boden.

Kurz bevor der Spagetto völlig durchweicht ist, kann die verbliebene Biegesteifigkeit das obere Ende nicht mehr senkrecht halten. Kleinste Störungen lassen die Nudel unter dem Einfluss der eigenen Schwere vornüberkippen, bis sie mit der Spitze den Boden erreicht. Der Krümmungsradius im Endzustand ist ein Maß für die restliche Biegesteifigkeit.

Die Wissenschaftler haben ein rein mechanisches und reibungsfreies Modell aufgestellt, und es reproduziert das Verhalten trotz der Vereinfachungen sehr gut. Insbesondere erklärt es die Fähigkeit der Nudel, am Schluss eine Konfiguration anzunehmen, die sowohl geometrisch als auch von der Konsistenz her wesentlich komplexer ist als ihr Ausgangszustand: Bekanntlich lassen sich Spagetti nur dann gut um eine Gabel wickeln, wenn sie frisch gekocht sind. Jedem selbst überlassen bleibt indes, ob sie auch besser schmecken, wenn man die Zubereitung einmal unter der physikalischen Perspektive betrachtet.

Quelle

Goldberg, N. N. et al.: Mechanics-based model for the cooking-induced deformation of spaghetti. Physical review E 101, 2020

Originalpublikation: Wie Spagetti erweichen

Transparenz durch Nässe

Nassdunkelhell_1aSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 6 (2015), S. 50 – 51

Farblose Textilfasern wirken optisch wie eine blickdichte Nebelwand und können Gewebe daher weiß erscheinen lassen. Wasser macht diesen Effekt aber zunichte.

»… Relationen und Ähnlichkeiten zwischen Dingen zu finden,
die sonst niemand sieht …«
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Der Wind stößt in die nassen Wäschestücke hinein und bringt ein schönes Knattern hervor«, schreibt der Schriftsteller Wilhelm Genazino, ein genauer Beobachter auch profaner Alltagsdinge. »Manchmal bauscht ein einzelner kräftiger Windstoß die Laken hintereinander auf. Eine halbe Stunde vergeht, dann ist die Wäsche trocken und weiß. «Erst dann? Sollte sie nicht schon in dem Moment reinweiß erscheinen, in dem man sie frisch gewaschen aus der Waschmaschine holt?
Die Frage ist gerechtfertigt: Warum muss ein Hemd erst trocknen, damit es wirklich weiß strahlt? Oder andersherum: Wie schafft es völlig farbloses Wasser, weiße Wäsche dunkel erscheinen zu lassen?
Wenn das Gewebe eines weißen Hemds keine Farbpigmente enthält – was übrigens die Regel ist –, erscheint es aus demselben Grund weiß, wie dies auch Schnee und Nebel tun. Aber deren Farbe ist ebenso wenig selbstverständlich. Denn Schnee ist eine Ansammlung winziger Eiskristalle, Nebel besteht aus Wassertröpfchen. Sowohl Eis als auch Wasser sind allerdings farblos und im Prinzip durchsichtig wie Glas.
Entscheidend sind hier aber die Grenzschichten zwischen unterschiedlichen Medien. Wenn ein Objekt unter Wasser liegt oder im Eis eingefroren ist, durchquert das von ihm reflektierte Licht zunächst das jeweilige Medium und tritt an dessen Grenze in die Luft der Umgebung über. Dabei wird das Licht gebrochen, wobei es seine Richtung ein wenig ändert und teilweise ins Medium zurückreflektiert. Bei jeder Wechselwirkung wird zudem ein Teil des Lichts absorbiert, im Fall transparenter Medien jedoch nur ein kleiner.
Das genaue Ausmaß dieser Effekte hängt von den Brechungsindizes der beteiligten Medien ab. Unterscheiden sie sich stark, wird das auf die Grenzfläche treffende Licht auch stark von der ursprünglichen Richtung abgelenkt. Das an der Grenzfläche reflektierte und gebrochene Licht sorgt dafür, dass das transparente Medium überhaupt in Erscheinung tritt: Einerseits wird es durch das reflektierte Licht sichtbar, andererseits sorgt es durch die Brechung für ungewohnte Anblicke wie zum Beispiel den berühmten Strohhalm im Glas, der an der Wasseroberfläche abzuknicken scheint.

Plötzlich unsichtbar
Je mehr sich ein Gegenstand optisch an das ihn umgebende Medium angleicht, je ähnlicher also die Brechungsindizes sind, desto mehr verliert er dagegen an Sichtbarkeit. Taucht man ein Reagenzglas aus Fiolax, einem speziellen Borsilikatglas mit einem Brechungsindex von etwa 1,47, in ein durchsichtiges Gefäß mit Olivenöl (Brechungsindex 1,46) und füllt es ebenfalls mit Olivenöl, wird es regelrecht unsichtbar (siehe Foto rechts). Sind die Indizes identisch, ist das Ergebnis noch eindeutiger: Schüttet man Wasser in Wasser, verschwindet es darin spurlos.
Wie steht es nun um Wasser, das in Form kleinster Tröpfchen als Nebelwand auftritt? Wirft ein vor oder hinter der Wand gelegener Gegenstand Licht auf die Nebeltröpfchen, wird es an ihren Grenzflächen viele Male in unterschiedlichste Richtungen reflektiert, bevor es am Ende vielleicht doch noch unsere Augen erreicht. Zu diesem Zeitpunkt hat es aber längst jegliche Information über seine Herkunft verloren. Die Nebelwand erscheint also ab einer bestimmten Dicke und Dichte schlicht undurchsichtig. Dahinterliegende Objekte sind dann nicht mehr zu erkennen.
Außerdem mischen sich die Farben im Verlauf der vielen Reflexionen perfekt und addieren sich zu Weiß. Nicht zu einem ganz reinen Weiß allerdings: Weil an jeder Grenzfläche auch ein wenig Licht absorbiert wird, zeigt sich die Nebelwand in einem mehr oder weniger hellen Grau. Sie ist also etwas dunkler als Weiß, aber genauso farblos. Aus demselben Grund erscheint Schnee hellgrau bis weiß, und Glasscheiben zerbersten bei einem kräftigen Schlag in winzige weißliche Brösel.
Im weißen Hemd kommen letztlich dieselben Effekte zum Tragen wie in einer blickdichten Nebelwand. Oft besteht ein solches Kleidungsstück aus transparenten Baumwoll- oder Acrylfäden, die in unterschiedliche Richtungen orientiert und überdies in winzige Fasern und Fädchen aufgefächert sind. Ein Teil des auf das Hemd fallenden Lichts wird an den Grenzflächen zwischen Luft (Brechungsindex nahe 1) und Fasern (Baumwolle: Brechungsindex etwa 1,52) in alle Richtungen reflektiert, gelangt also auch in unsere Augen. Ein weiterer Teil wird in das Hemd hinein gebrochen, durchdringt es und erreicht die Haut. Auch von ihr wird ein Teil absorbiert und ein anderer diffus reflektiert. Am Ende verleiht die Summe all dessen, was nach unzähligen Reflexionen, Ablenkungen und Absorptionen unsere Augen erreicht, dem Gewebe seine weiße Farbe.
Wasser verändert die Situation grundlegend. Dringt es zwischen die Fasern, verdrängt es dabei Luft. Mit seinem Brechungsindex von 1,33 ist es den Fasern aber optisch ähnlicher als Luft. Dadurch sinkt der Einfluss der Grenzflächen: Die Zahl der Reflexionen und Absorptionen an den Fasern verringert sich, und es gelangt ein größerer Anteil des Lichts auf geraderem Weg durch das Hemd hindurch bis auf die Haut. Diese absorbiert schließlich, abhängig von der jeweiligen Hautpigmentierung, einen beträchtlichen Teil der Strahlung. So kehrt weniger Licht zurück, und der nasse Fleck erscheint dunkler.
Dabei macht es einen Unterschied, ob das nasse Hemd den Körper locker umgibt oder direkt an der Haut klebt. Bleibt Raum zwischen Haut und Hemd, so verteilt sich das von der Haut kommende diffuse Licht über eine mehr oder weniger große Fläche des Gewebes. Weil es dort reichlich Gelegenheit zu weiteren Reflexionen und Absorptionen gibt, erscheint das nasse Hemd also relativ dunkel, aber undurchsichtig.
Liegt es hingegen direkt auf der Haut, wirkt es nahezu durchsichtig. In diesem Fall wird das von der Haut zurückfallende Licht nämlich nicht diffus in viele Richtungen geworfen, sondern kehrt nur wenig geschwächt und ohne größere Umwege direkt durch das Gewebe zurück und gelangt in unsere Augen.

Erscheint die nasse Stelle als dunkler Fleck? Oder als helle Fläche?
Das Phänomen der durch Nässe hervorgerufenen Transparenz kann man sich übrigens besonders gut veranschaulichen, wenn man einfach ein weißes Tuch mit einem großen Wasserfleck vor sich hält (Fotos oben). Hat man die Sonne im Rücken, sieht man die nasse Stelle als dunklen Fleck, weil sie das Sonnenlicht im Vergleich zu benachbarten trockenen Stellen leichter hindurchlässt, statt es in unsere Augen zu reflektieren. Hält man das Hemd jedoch gegen die Sonne, ist der Eindruck aus denselben Gründen gerade umgekehrt. Das durch den transparenteren Bereich hindurchgehende Sonnenlicht scheint recht direkt in unsere Augen, so dass der nasse Fleck heller wirkt als seine trockene Umgebung.
Bei farbigen Hemden, also solchen, die Pigmente enthalten, liegen die Verhältnisse etwas komplizierter. Die Pigmente absorbieren jeweils einen Teil aus dem Spektrum des weißen Lichts und reflektieren den Rest. Ein rotes Hemd erscheint rot, weil es nur rotes Licht zurückwirft. Die feinen Fasern der Gewebefäden reflektieren allerdings nicht nur Rot, sondern sämtliche Farben; sie fügen also zusätzlich diffuses weißes Licht hinzu. Dem Rot eines Hemds ist daher immer auch etwas weißes Licht beigemischt, so dass es ein wenig heller erscheint, als es in Wirklichkeit ist. Gelangt allerdings Wasser auf ein Hemd mit Farbpigmenten, kleben die kleinen Fasern zusammen; damit verringert sich auch die diffuse Reflexion weißen Lichts. Entsprechend dunkler und kräftiger erscheint das Rot.
Natürlich beschränken sich unsere Überlegungen nicht nur auf Hemden. Auch Salz, Zucker oder Schnee werden transparenter, wenn man Wasser hinzufügt, und erscheinen auf dunklem Hintergrund entsprechend dunkler. Mit Papier gelingt der Trick ebenfalls: Wird eine Zeitungsseite nass, schimmert die Schrift auf ihrer Rückseite hindurch. Wer dagegen Briefumschläge durchsichtig werden lassen will, kommt mit Wasser nicht sehr weit. Stattdessen muss er sie mit Öl tränken, das dem Briefpapier zumindest optisch stark ähnelt.

PDF: http://www.spektrum.de/alias/schlichting/transparenz-durch-naesse/1343327

Photoarchiv