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Schaum

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Viel Wirbel bei der Begrüßung eines Wasserstroms

Diese Wirbel entstehen dadurch, dass sich ein schäumender Wasserstrom in ein größeres Becken ergießt, um dort im Einvernehmen mit dem Wasserbecken zur Ruhe zu kommen. Das geschieht vor allem dadurch, dass die Bewegungsenergie durch Verwirbelungen aufgezehrt wird. Normalerweise merkt man kaum etwas von diesen Vorgängen. Durch die hellen und offenbar sehr haltbaren Blasen des ankommenden Wassers werden jedoch die Spuren der Wasserbewegungen sichtbar und zeigen naturschöne Vorgänge, die man ohne den Schaum nicht zu Gesicht bekommen hätte: Schäume erzeugen Säume, die Bilder gestalten wie Träume.

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.

Brillanter Schaum am Strand

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 53/1 (2022), S. 48

Die Farbe von Seifenblasen und des aus diesen bestehenden Schaums hängt nicht nur von der Interferenz des Lichts an der Blase ab, sondern auch vom diffus reflektierten Licht des Untergrunds. Ein schwarzer Untergrund führt zu großer Farbintensität der Blasen.

Schaum kennt man vor allem als Seifenschaum. Gelangt nur ein wenig Seife oder Spülmittel in das Wasser und wird dieses beim Waschen in Bewegung gesetzt, so ist die Oberfläche sehr schnell mit einem Netz von Seifenblasen umgeben, die auch in mehreren „Stockwerken“ existieren können.
Damit die Blasen länger halten, ist die Anwesenheit von Tensiden nötig, die das Schaum bildende Wasser etwa in Form von Seife enthält. Durch diese Stoffe wird die Oberflächenspannung des Wassers herabgesetzt, sodass die Lebensdauer der Blasen vergleichsweise lang ist.
Oft entdeckt man Schaum auch an der Küste eines Sees oder des Meeres. Das bedeutet in den meisten Fällen jedoch nicht, dass das Wasser durch Einleitung von tensidhaltigen Abwässern verunreinigt wurde. Vielmehr kann man in der Regel davon ausgehen, dass die Hinterlassenschaften von abgestorbenen Pflanzen, wie etwa Algen in Form von Fetten, Kohlenhydraten und Eiweißen dafür verantwortlich sind. Denn auch diese können die Oberflächenspannung des Wassers herabsetzen. Meist entsteht ein weißer Schaum, was nichts anderes bedeutet, dass die Bläschen so klein sind, dass das Licht wie an Nebeltröpfchen gestreut wird und alle von den Bläschen ausgehenden Farben zu Weiß gemischt werden. In manchen Fällen, insbesondere dann, wenn sich das auflaufende Meerwasser in kleineren Mulden verfängt, können sich auch größere Blasen bilden. Sie entstehen insbesondere dadurch, dass nach und nach einzelne Lamellen platzen und entsprechend vergrößerte Blasen zurückbleiben.
Die größeren Blasen fallen durch unterschiedliche Farben auf (Abbildung 1). Diese verdanken sich der Interferenz des einfallenden Lichts an den dünnen Grenzflächen der Blasen: An der oberen und unteren Grenzfläche reflektierte Lichtwellen überlagern sich im Auge des Betrachters und verstärken oder schwächen je nach dem Wegunterschied der Teilwellen bestimmte Wellenlängen des weißen Lichts. Das hebt bestimmte Farben hervor. Wenn man die Szenerie einige Zeit beobachtet, kann man feststellen, dass die Farben sich verändern. Denn da die Häute der Blasen durch Verdunstung und schwerkraftsbedingte Drainage der Flüssigkeit dünner werden, ändert sich auch der Wegunterschied zwischen den interferierenden Teilwellen, sodass eine andere Farbe des weißen Lichts dominiert.
Vergleicht man die Interferenzfarben im vorliegenden Fall mit denen anderer Seifenblasen im Alltag, so fällt vor allem die Farbenpracht in Form von Brillanz und Farbintensität auf, die auf eine verhältnismäßig große Farbsättigung zurückzuführen ist (Abbildung 2). Wie kommt es dazu?
Da an den Blasen nur ein kleiner Teil des einfallenden Lichts reflektiert wird und ein großer Teil durch die Blase hindurch auf dem Untergrund landet und von dort diffus reflektiert wird, werden die Interferenzfarben von dieser Rückstrahlung überlagert. Das führt dann je nach der optischen Beschaffenheit des Untergrunds zu einer entsprechenden „Verwässerung“ der Farben. Im vorliegenden Fall haben wir es mit einem schwarzen Stein als Untergrund zu tun. Dieser absorbiert das auftreffende Licht und reflektiert so gut wie gar nichts. Daher können die Interferenzfarben in voller Pracht zur Geltung kommen.
Und noch etwas fällt auf. Jede Blase weist eine Abbildung der Fotografin auf. Dabei handelt es sich nicht etwa um einen Schatten, sondern um eine spiegelnde Reflexion. Denn durch die grob halbkugelförmigen Blasen wird wie bei einem Fischaugenobjektiv einer Kamera der größte Teil der Umgebung abgebildet. Dass diese Selfies monochrom dunkel ausfallen, liegt vor allem daran, dass die den Blasen zugeneigte Körperpartie nur wenig Licht aus der Umgebung erhält und daher noch weniger diffus reflektieren kann.

 

Ein Wechselspiel zwischen Tropfen und Blasen

Dieser Zufallstreffer einen Fotos hält die äußerst kurze Situation fest, in der ein Wassertropfen in eine Regentonne fällt und der Beobachter gerade so steht, dass das Licht im Regenbogenwinkel in seine Augen gelangt. Einige Farbtupfer werden im Foto festgehalten. 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

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

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

Küsten sind meist weiß berandet

Phänomenologisch verschiedene Bereiche der Natur werden oft in äußerst kreativer Weise durch eine auffällige Markierung berandet. So sind Blätter von Bäumen im Sommer oft von gleißend hellen Linien der Lichtstreuung umgeben, während sie im Winter eher von Reifkristallen eingerahmt erscheinen und berandete Wolken und berandete nasse Blätter, berandete Dünen in der Sandwüste…
Ein weiteres meist von einer höheren Warte aus zu beobachtendes Phänomen sind die hellen Ränder an den Meeresküsten (Foto). Es handelt sich um das weiß schäumende Wasser der brandenden Wellen und man fragt sich vielleicht, warum sie unabhängig vom jeweiligen Küstenverlauf stets senkrecht einlaufen.
Die je nach der Windrichtung, den Meeresströmungen und anderen Einflüssen aus einer bestimmten Richtung gegen die Ufer anlaufenden Wellen werden in dem Maße wie ihre Höhe die Größenordnung der abnehmenden Wassertiefe erreicht im unteren Bereich durch Reibung mit dem Boden gebremst. Weil die Seite der schräg einlaufenden Wellen, die zuerst Bodenkontakt erfährt zuerst gebremst und verlangsamt wird und sich dieser Prozess über die ganze Länge der Front fortsetzt, kommt es zu einem Einschwenken der Welle bis sie nahezu senkrecht zum jeweiligen Uferabschnitt weiterläuft. Dabei wird sie im unteren Bereich so stark gebremst, dass sie aus Trägheit im oberen Bereich weiterlaufend sich überschlägt und weißschäumend und tosend ihre Bewegungsenergie verbraucht, d.h. durch Wärme an die Umgebung abgibt.
Da der Schaum des brandenden Wassers aus zahlreichen Luftbläschen besteht, an denen das Licht in alle Richtungen vor allem durch Totalreflexion gestreut wird, erscheint es uns weiß.

Maßvoll – Maß leer

massvollEin Trinkgefäß, sobald es leer,
macht keine rechte Freude mehr.

Wilhelm Busch (1832 – 1908) Weiterlesen

Chaotische Tropfenproduktion

Lano Geburtstag TropfenSo, das erste Lebensjahr ist geschafft! Dazu muss gewirbelt und getrommelt werden. Man kann es auch als zünftiges Experiment ansehen, bei dem sich der Experimentator voll eingibt und die Ergebnisse visuell kundtut. Zu Worte kommen sie dann später. Lano gelingt es hier, mit kreativer Hand aus dem Seifenschaum baumartige Gewächse zu schlagen. Man beachte, dass die aus dem Schaum geborenen Gebilde dabei sind, einen runden „Kopf“ auszubilden. Dabei kommt zum Tragen, dass die Frontseite der beschleunigten Schaumfontäne stärker durch die Reibung mit der Luft gebremst wird, als die nachdrängende Flüssigkeit. Dadurch entsteht ein gerundetes Gebilde, das die REibung weiter erhöht und die Fontäne schließlich zur Umkehr bewegt.

Dort wo die Spritzer klein sind, bilden sich sogar fast perfekte Schaumkugeln aus, die ihr kurzes Dasein auch noch durch Schatten bekräftigen. Seit Peter Schlemihl wissen wir ja, dass man ohne Schatten so gut wie nichts ist.

Wir wünschen Lano, dass sich seine kreative Virtuosität im kommenden Jahr auf weitere Elemente ausdehnt.

 

Capuccino Kunst und Physik

CapuccinoKunst1Wenn 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 sind.
„Er war einer dieser Künstler, die aus der Vermischung der dunklen Kaffeespur mit dem Weiß des Milchschaums kleine Ornamente und Figuren auf die Oberfläche zaubern konnten; die Zeichnung in meiner Tasse erinnerte an Farnblätter, eine schlanke, fein gezackte, florale Struktur, die wie widerwillig verging, als ich vorsichtig Zucker auf sie häufte; der Schaum hielt den Zucker einige Momente an der Oberfläche, dann sogen die Kristalle Feuchtigkeit, quollen bräunlich auf und sackten durch den Schaum auf den Grund der Tasse, und wo das Ornament gewesen war, erschien der glatte Spiegel der dunklen Flüssigkeit, über dem sich aber die Schaumschicht sofort wieder schloß“ (Klaus Modick: Das Licht in den Steinen. Frankfurt 1995). Weiterlesen

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