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Wärmeleitung

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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

Verborgene Muster im Eis

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2021)

Das Sichtbare erschließt den Blick in das Unsichtbare

Anaxagoras (499–428 v. Chr.)

Wenn eine mit Wasser bedeckte Eisschicht schmilzt, entsteht auf ihr eine regelmäßige Struktur. Dabei spielt Wärmeübertragung durch Konvektion eine wichtige Rolle – und die besondere Dichteanomalie des Wassers.

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Frühling – die Pflanzen fahren aus ihrer Haut

Gebrauchsgegenstände werden in der Regel mehr oder weniger aufwändig verpackt. Damit sollen die Produkte zum einen vor Beschädigungen bei Lagerung und Transport geschützt werden. Zum anderen – und dieser Grund ist oft noch wichtiger – sollen sie gefallen und zum Kauf verführen. Wenn man sich die Tricks der Verpackungsindustrie genauer anschaut wird man über den Einfallsreichtum staunen. Oft lassen sich die papiernen Behältnisse durch Lösen weniger Klebestellen auf verblüffend einfache Grundformen zurückführen. Weiterlesen

Ein Eispalast zum Schutze der Pflanzen

Vor allem in Obst- und Weinanbaugebieten kann man in diesen Tagen, bzw. den frostigen Nächten Sprinkleranlagen in Betrieb sehen, die oft zu den lange vermissten Winterlandschaften mit ihren Kristallgärten führen. Dies ist natürlich nur ein ästhetischer Nebeneffekt des durch den künstlichen Regen beabsichtigen Schutzes der bereits Blätter und Blüten bildenden Pflanzen vor Erfrierungen. Auf den ersten Blick erscheint es paradox, dass die kristalline Verzauberung der Pflanzen durch die Beschichtung mit Eis eine Erwärmung der Pflanzen bewirken kann. Weiterlesen

Durchsichtiges Holz

Als ich am frühen Morgen an einem Bauernhof vorbeiging staunte ich nicht schlecht, als das massive Holztor durchsichtig zu sein schien. Jedenfalls zeichneten sich die auf der Innenseite angebrachten Verstrebungen der Tür durch einen dunkleren Farbton deutlich ab, so als ob die von der anderen Seite in den Stall hineinleuchtende Sonne (siehe Lichtstreifen unter dem Tor hindurch) es nur nicht schaffte, die dicken Verstrebungen des Tors zu durchleuchten und aufzuhellen.
Da das Holz des Tors sehr massiv ist, kommt diese naheliegende Erklärung nicht infrage. Dennoch ist die Sonne Verursacherin des Phänomens. Die Außenseite des Tors ist noch nass von einem kürzlich vorausgegangenen Regenschauer. Die noch tief stehende Sonne, die durch das geöffnete gegenüberliegende Tor hindurch scheint, erwärmt die  Innenseite des auf der Außenseite regennassen Tors. Die dadurch bedingt Aufheizung des Tors führt dazu, dass die Wärme als erstes an den dünnen Stellen die Außenseite erreicht und dort die Verdunstung der Regentropfen  beschleunigt.  Dass wir dies überhaupt beobachten können, ist der Tatsache zu verdanken, dass nasses Holz wesentlich dunkler aussieht als trockenes Holz.

Warten auf bessere Zeiten

Ein Apfel aus dem Vorjahr hat sich vom Eis nicht unterkriegen lassen. Durch den Auftrieb ragte er ein kleines Stück weit aus dem Wasser heraus, das in den kalten Nächten um ihn herum gefror und nur eine bereifte Haube zurückließ. Erst beim Tauwetter wurde die Ursache der Haube entdeckt. Denn dadurch dass der durchschimmernde Apfel das Sonnenlicht stark absorbierte, während es von der Eisschicht hauptsächlich durchgelassen und reflektiert wurde, erwärmte er sich und umgab sich mit Tauwasser.
Vielleicht handelt es sich aber auch nur um einen kleinen Fisch, der auf bessere Zeiten wartet.

 

Musterbildung im Schnee

Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 50/1 (2019), S. 45

Das Zusammenwirken von Absorption und Reflexion von Sonnenlicht sowie Wärmeleitung führt unter bestimmten Bedingungen zu regelmäßigen Mustern im Schnee.

Auf dem Handlauf eines Treppengeländers hat sich ein Muster aus periodisch weggeschmolzenem Schnee gebildet. Das ist auch insofern erstaunlich, als die Lufttemperatur mit -1 bis -2 °C eindeutig zu niedrig ist, um den Schnee zum Schmelzen zu bringen. Zwar bricht die Sonne hin und wieder durch den hochnebelartigen Dunst und fühlt sich angenehm warm an. Doch der blendend weiß erstrahlende Schnee ist ein deutliches Zeichen dafür, dass das Sonnenlicht nicht gleichermaßen vom Schnee absorbiert, sondern hauptsächlich reflektiert wird. Weiterlesen

Schnee im Mai?

Von weitem sieht es aus, als habe es geschneit, obwohl die angenehmen Temperaturen dagegen sprechen. Es wird allerdings sehr schnell klar, dass hier eine große Pappel ihre schneeweißen Samenfasern auf die Reise geschickt hat, die allerdings wegen der Windstille nicht allzu weit gekommen sind.
Schaut man sich die Pappelwolle aus der Nähe an, so entdeckt man, dass an jedem Flaum ein Samenkörnchen hängt, eine potenzielle neue Pappel. Angesichts der schieren Masse der Samen kann man davon ausgehen, dass die meisten von ihnen auf der Strecke bleiben. Weiterlesen

CROs Pandamaske im Gebirgsbach?

Wieder einmal erhielt ich ein Foto von Bernd Heepmann, das von seinem ausgezeichneten Blick für Natur- und Alltagsphänomene zeugt. Er sieht in dieser Pareidolie „die „Pandamaske“ des bei Jugendlichen beliebten Rappers ‚CRO‘“ und weist darauf hin, dass die beiden Kiesel in den Augenhöhlen für die Entstehung verantwortlich seien.
In der Tat kann man davon ausgehen, dass die Löcher dieses Resteises an einem Bergbach durch die nunmehr als „Augen“ fungierenden Steine hervorgebracht wurden. Wie man leicht erkennt ist die Eismaske weitgehend von der Umgebung isoliert. Sie ist zu großen Teilen von Luft umgeben, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt und daher den Schmelzprozess hinauszögert. Nur dort wo zufällig die beiden Steine die Eisschicht berühren, können Energie durch Wärme von den bereits unter den Gefrierpunkt abgekühlten Steinen auf die Maske übertragen und Löcher hineingeschmolzen werden. Es ist halt die Wirkung der glühenden Augen :-). Weiterlesen

Zur Schönheit des schmelzenden Eises

Auch wenn seit einigen Tagen Tauwetter herrscht, dauert es eine ganze Weile, bis das Eis auf Teichen und wassergefüllten Behältern völlig verschwunden und in seine vertrautere flüssige Form übergegangen ist. Der Grund dafür liegt einerseits in der hohen Wärmekapazität von Wasser: Das Eis muss verhältnismäßig viel Energie aufnehmen, um vom festen in den flüssigen Zustand überzugehen. Weiterlesen

Zur physikalischen Erzählung spiegelnder Fensterscheiben

doppelglasspiegelung_dscf26Der Kosmos ist ein Spiegel, so lautet eine altpersische Weisheit, und Christian Morgenstern sagt: „Der Mensch ist ein in einem Spiegelkerker Gefangener“. Weiterlesen

Schnee oder nicht Schnee – das ist hier die Frage.

schneemuster_dsc07714rvViele Vorgänge laufen im Verborgenen ab. Vielleicht ist es auch ganz gut so, weil wir ansonsten der Komplexität der Welt in noch stärkerer Weise ausgesetzt wären und uns noch mehr bemühen müssten, zu übersehen statt zu sehen. Dieser Gedanke kam mir, als ich gestern auf dem blauen Geländer unserer Eingangstreppe den liegengebliebenen Schnee in regelmäßiger Weise gemustert vorfand. Weiterlesen

Die schmale Insel der Behaglichkeit

behaglichkei_rvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 11 (2016), S. 56 – 58

Erkenntnis und Empfindung
gehen immer Hand in Hand
Friedrich Hebbel (1813–1863) Weiterlesen

Eine Bettdecke aus Schnee

SchneebettNicht nur äußerlich ähnelt der Schnee einem dicken Federbett. Luftig und leicht verringert dieses wie jenes die Wärmeleitung. Pflanzen die mit lockerem Schnee bedeckt sind, werden vor schwerem Frost geschützt, ebenso wie Federbetten die vom Körper durch Wärme an die Umgebung abgegebene Energie vermindern. Die Inuit leb(t)en in Iglus, um die isolierende Wirkung des Schnees auszunutzen. Auch wenn der Schnee selbst eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts hat, sorgen die Lufteinschlüsse dafür, dass nicht die Wärmeleitfähigkeit des gefrorenen Wassers für den Wärmetransport durch den Schnee entscheidend ist, sondern die der Luft und die ist äußerst gering.

Allerding gibt es einen kleinen nicht unwesentlichen Unterschied zwischen Federn (die ebenfalls von der schlechten Wärmeleitfähigkeit der eingeschlossenen Luft profitieren) und Schnee: Schnee schmilzt bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt. Die isolierende Wirkung des Schnees kann also nur bei relativ niedrigen Temperaturen genutzt werden.

Dazu fällt mir ein kleines Rätsel aus Kindheitstagen ein:
Es fällt herab
vom Himmel.
sieht weiß aus
wie ein Schimmel,
ist wie ein Bettchen weich,
zerfließt wie Wasser gleich
und macht dann naß –
was ist das?

Ein Schilfrohr versucht sich, vom Eis zu befreien

Schilfrohr-als-WärmeleiterIn diesen Tagen ist es kalt. Der Teich ist zugefroren, aber die Sonne scheint fast den ganzen Tag. Trotz der niedrigen (Luft-) Temperaturen wissen einige Objekte, die Sonnenwärme zu nutzen. Das bräunlich gelbe im Eis eingefrorene Schilfrohr ragt aus einer schüsselförmigen Vertiefung heraus, in der eine kleine Wasserlache steht. Weiterlesen

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

Eiszapfen, die gen Himmel wachsen

stehender_eiszapfen-rvSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/3 (2011), S. 38-39

Kein Wunder, dass aufwärts strebende Eiszapfen so selten sind. Für ihre Entstehung müssen zahlreiche Voraussetzungen erfüllt sein. Weiterlesen

Schnell und schmerzlos – Physik am Morgen

Schlürfen_IMG_5971Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 3 (2009), S. 32

Über eine nicht ganz gesellschaftsfähige, aber physikalisch hochinteressante Methode, heiße Getränke zu kühlen.

Der Mensch kann … nach allen Arten [trinken].
Er saugt an der Mutter-Brust schon und beständig
wenn er ordentlich stark trinkt, den Tee schlurft er
mit erweiterter Brust ein, und wenn er aus einer
Bouteille mit einem engen Hals trinkt, so gießt er.
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

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