Abfluss auf Nord- und Südhalbkugel: Physik oder Fake?

Marion, eine Leserin, auf deren Blog ich schon mehr als einmal als Gastautorin gewirkt habe, schickte mir neulich einen Link zu einem Video, das gerade auf Facebook die Runde machte. Darin zu sehen sind Einwohner Kenias bzw. Tansanias, die filmenden Touristen ein Experiment vorführen. Das Spannende daran: Diese beiden Länder liegen auf dem Äquator!

Die Anrainer dieser Kreislinie, welche den Globus genau in Nord- und Südhalbkugel teilt, möchten den Touristen mit ihrem Experiment weismachen, dass Wasser, welches durch ein enges Loch abläuft, je nach Position auf der Erdkugel in eine bestimmte Richtung wirbelt: Links herum auf der Nordhalbkugel, Rechts herum auf der Südhalbkugel und genau auf dem Äquator ganz ohne Wirbel, d.h. gerade nach unten durch das Loch. Und das soll mit Hilfe eines Trichters und eines Eimers Wasser auf einem vielleicht 30 Meter langen Stück Strasse nachprüfbar sein.

“Das ist doch alles fake, oder?”, fragte mich die Leserin. Und mein Instinkt sagte gleich, dass ihrem Bauchgefühl zu trauen sei. Dennoch habe ich nachgelesen und schnell bestätigt bekommen – unter anderem in der Lehrmaterialsammlung der Uni Karlsruhe – dass Marion ganz richtig liegt: Alles fake!

Aber wie kommt es dazu, dass derlei Gerüchte um die Drehrichtung von abfliessendem Wasser sich so hartnäckig um die ganze Welt verbreiten (auch in südamerikanischen Ländern auf dem Äquator sollen entsprechende Experimente gezeigt werden)? Warum sollte das Wasser auf der Nordhalbkugel links- und auf der Südhalbkugel rechtsherum in den Abfluss wirbeln?

 

Was die Drehrichtung des Wassers bestimmen soll: Die Corioliskraft

Urheber der vorbestimmten Drehrichtung sei – so heisst es in den meisten Gerüchten – die Drehbewegung der Erde um sich selbst. Die führt nämlich wirklich dazu, dass eine geheimnisvolle Kraft – die Physiker nennen sie Corioliskraft – von der Erdkugel ausgehende Bewegungen in eine bestimmte Richtung ablenkt!

Welche Bewegungen werden abgelenkt?

Die Corioliskraft wirkt auf solche Bewegungen, die von einem Pol zum anderen, also entlang der Längengrade (jener Linien, die auf der Weltkarte oder dem Globus Nord- und Südpol miteinander verbinden) oder von der Drehachse der Erde fort bzw. zu ihr hin (aus Sicht eines Menschen auf der Erdoberfläche “nach oben” oder “nach unten” verlaufen.

Wie kommt es zu der Ablenkung?

Die Erdumdrehung als Ursache

Die Erde ist (mehr oder weniger) eine Kugel, die sich stetig um ihre Mittelachse dreht – also um die gerade Linie, die Nord- und Südpol durch die Kugel hindurch miteinander verbindet. Da diese Erdkugel im Grossen und Ganzen ein fester Körper ist, müssen sich alles Material, aus dem sie besteht und alles, was sonst noch darauf haftet (Meere, Pflanzen, Tiere, Menschen und sogar die Lufthülle, die den Planeten umgibt!) stets im gleicher Lage zueinander mitdrehen, damit alles seinen Platz behält. Schliesslich ist es noch nie vorgekommen, dass jemand seine Fortbewegung durch die Erddrehung verschlafen hätte und ein paar Tausend Kilometer weiter westlich wieder aufgewacht wäre.

Alle Orte auf der Erde drehen sich gemeinsam

Dieser feste Zusammenhalt aller Teile der Erdkugel führt auch dazu, dass die Entfernung zwischen Tunis, der Hauptstadt Tunesiens in Nordafrika, und der Norwegischen Hauptstadt Oslo zu jeder Tages- und Nachtzeit gleich ist. Wenn ihr nun Tunis und Oslo auf einem Globus-Modell ausfindig macht (beide Städte liegen nahezu auf demselben Längengrad!) und kleines Bisschen von Physik versteht, mag euch eine Ungereimtheit ins Auge fallen:

Nicht alle Punkte auf der Erdoberfläche drehen sich gleich schnell

Tunis liegt deutlich weiter aussen auf der Wölbung des Globus’ als Oslo, d.h. der Abstand von Tunis zur Mittelachse ist deutlich grösser als der Abstand von Oslo zur Mittelachse. Das bedeutet, dass der Kreis, welchen Tunis innerhalb eines Tages entlang bewegt wird, erheblich länger ist – d.h. einen grösseren Umfang hat – als der Kreis, welchen Oslo entlang bewegt wird!

Vom Abstand zum Kreisumfang

Die Länge einer Kreislinie, d.h. den Umfang U eines Kreises kann man berechnen, indem man seinen Radius r – den Abstand zwischen Kreislinie und Kreismittelpunkt – mit 2 und der Zahl Pi multipliziert.

Damit entspricht der (kürzeste) Abstand von Tunis bzw. Oslo zur Drehachse der Erde dem Radius, aus dem sich die Länge des Umlaufs der jeweiligen Stadt während eines Tages ergibt.

Damit die Entfernung zwischen beiden Städten stets gleich bleibt, müssen sowohl Tunis als auch Oslo sich an einem Tag (d.h. in 24 Stunden) genau einmal um die Erdachse wandern. Wegen des grösseren Abstands zur Drehachse muss Tunis dazu einen längeren Weg zurücklegen als Oslo. Das bedeutet: Tunis muss sich schneller bewegen als Oslo, um seine längere Umlaufstrecke am gleichen Tag zu schaffen!

Geschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit v einer gleichförmigen, d.h. stetig in die gleiche Richtung verlaufenden Bewegung kann man ausrechnen, indem man einen zurückgelegten Streckenabschnitt durch die dafür benötigte Zeitspanne teilt:

Eine vergleichbare Beziehung gilt auch für eine gleichförmige Kreisbewegung, in welcher der zurückgelegte Winkel Phi (φ) den Streckenabschnitt ersetzt. Die so berechnete Grösse nennen die Physiker Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit und schreiben dafür statt v ein kleines Omega (ω):

Wenn die benötigte Zeit für zwei Bewegungen gleich ist, aber ein Streckenabschnitt bzw. Winkel grösser als der andere, ergibt sich mit dem somit grösseren Zähler im Bruch auf der rechten Seite der Gleichung aus dem grösseren Streckenabschnitt bzw. Winkel eine grössere Geschwindigkeit.

Gut sichtbar wird das, wenn ihr euch die Erdkugel einmal von “oben” anseht:

Ablenkung eines Balls auf dem Weg von Oslo nach Tunis

Die Erde von einem Punkt über dem Nordpol aus gesehen: Die Nordhalbkugel erscheint als flache Scheibe mit dem Nordpol als Mittelpunkt. Ein Fussball fliegt von Oslo in der Nähe des Mittelpunkts nach Tunis, welches weiter vom Mittelpunkt entfernt liegt. Aus der Summe der Geschwindigkeiten von Oslo (kurzer blauer Pfeil) und der Südwärtsbewegung des Balles (durchgezogener roter bzw. langer blauer Pfeil) ergibt sich Punkt (2) als Zielpunkt für den Ball. Tunis, das sich schneller als Oslo bewegen muss, um seinen längeren Kreisabschnitt in gleicher Zeit zu schaffen, befindet sich dann aber schon an Punkt (3)! Der Weg des Balls kann auch durch die gekrümmte gepunktete Linie beschrieben werden: Eine Kraft – die Corioliskraft, die nach “rechts” wirkt, lenkt den Ball von der geraden Flugbahn ab.

Die Grafik zeigt die Erde aus der Sicht eines Astronauten, der über dem Nordpol (in der Grafik der Mittelpunkt der Kreise) schwebt. Die gestrichelte Kreisline markiert den Weg, auf dem sich Oslo mit der Erde dreht. Die mittlere, durchgezogene Kreislinie zeigt den Weg, den Tunis nimmt (da Tunis auf der Kugelwölbung weiter aussen liegt, ist dieser Kreis grösser). Der ganz äussere Kreis ist der Äquator – die Südhalbkugel ist aus dieser Richtung nicht zu sehen.

Ein Fussballspiel von Oslo nach Tunis

Stellt euch nun vor, ein besonders kräftiger Spieler würde einen Fussball vom Anstosspunkt im Osloer Stadion über die Stadionmauer in Richtung Tunis (also genau nach Süden) treten. Wenn der Fussballspieler nun als Kind in den Zaubertrank gefallen ist und der Ball seine Reise über Europa hinweg antritt…wo würde er dann – die Lufthülle der Erde mal ausser Acht gelassen – landen? Im Tor im Stadion von Tunis?

Die Krux mit der Impulserhaltung

Eines der grundlegenden Gesetze der Physik – das Gesetz der Impulserhaltung – schreibt vor, dass jede Bewegung eines jeden Gegenstands in jede Richtung erhalten bleibt, so lange keine Kraft in die der Bewegung entgegengesetzte Richtung wirkt und ihn ausbremst.

Da der Fussball vor dem Anstoss auf der Erde gelegen hat, hat er sich zunächst mit der Geschwindikgeit von Oslo um die Erdachse gedreht. Diese Drehrichtung und -geschwindigkeit bleibt dem Ball auch, nachdem der Fussballer ihn in Richtung Süden getreten hat. Die Bewegung in Richtung Süden wird einfach zur Bewegung in Richtung der Oslo-Kreisbahn hinzugezählt.

Wie man Bewegungen addiert

Die geraden Pfeile in der Grafik zeigen die Richtungen der Teilbewegungen an – die Länge der Pfeile steht für die Geschwindigkeit bzw. den Impuls in der jeweiligen Richtung. Verschiebt man nun das hintere Ende eines Pfeils an die Spitze des ersten, zeigt der neue Pfeil vom hinteren Ende des einen zur Spitze des anderen Pfeils die Richtung der Gesamtbewegung (und dessen Länge die Gesamtgeschwindigkeit). Dieses Verfahren nennen die Mathematiker Vektoraddition (denn die Pfeile heissen bei ihnen Vektoren).

Die Grafik zeigt: Obwohl nach Süden getreten bewegt sich der Fussball diagonal über Europa nach Südosten – wobei die Geschwindikeit in Ost-Richtung der von Oslo entspricht. Damit landet der Ball am Punkt 2 irgendwo an der tunesischen oder algerischen Mittelmeerküste und nicht in Tunis (das befindet sich inzwischen weiter östlich an Punkt 3). Denn weil Tunis sich schneller bewegt als Oslo, ist es während der Flugzeit des Fussballs weiter nach Osten gewandert als der von der Impulserhaltung als “südlich von Oslo” vorgegebene Punkt 2! Der Schuss geht also gründlich daneben.

Durch Drehbewegung auf die krumme Bahn

Wenn der Astronaut, der über dem Nordpol unbewegt schwebt, dieses unglaubliche Fussballspiel beobachtet und filmt, um anschliessend die Position des Balles in regelmässigen Zeitabschnitten einzublenden, erhält er eine Linie, die dem nach links gekrümmten gestrichelten Pfeil in der Grafik entspricht. Solch eine gekrümmte Flugbahn lässt sich mathematisch beschreiben, indem man annimmt, dass eine Kraft den Fussball in Ablenkungsrichtung beschleunigt – die sogenannte Corioliskraft.

Kraft und Beschleunigung: Zwei physikalische Grössen mit Richtung

Das Grundgesetz der Mechanik beschreibt die einfache Beziehung zwischen Kraft (F) und Beschleunigung (a):

Je grösser die Kraft ist, die auf einen Gegenstand mit der Masse m wirkt, desto grösser ist dessen Beschleunigung – d.h. desto schneller wird der Gegenstand schneller. Die physikalische Grösse für die Beschleunigung ist – wie auch jene für die Geschwindigkeit – stets mit einer Richtung versehen, die gemäss der Gleichung auch für die Kraft gilt.

Da die Corioliskraft mathematisch nur “in Erscheinung tritt”, wenn man das Fussballspiel wie der Astronaut von aussen beobachtet (die Zuschauer im Stadion in Oslo, die vor dem Abstoss mit Stadt und Ball um die Erdachse kreisen, kommen mit Hilfe der Vektoraddition weiter oben auf das Ziel des Balles), wird sie von den Physikern eine Scheinkraft genannt.

Die Corioliskraft ist aber durchaus real

Trotzdem könnt ihr selbst die Corioliskraft spüren, wenn ihr zum Beispiel versucht, auf einer sich drehenden Karussell-Scheibe auf dem Spielplatz geradewegs zu ihrem Mittelpunkt zu laufen. Das ist nämlich gar nicht so einfach – ihr müsst schon ordentlich gegenhalten, damit euch die Corioliskraft nicht von eurem direkten Weg ablenkt!

Ähnlich verhält es sich auch mit unserem unwahrscheinlichen Fussballspiel: Wenn die tunesische Küstenwache den Fussball aus dem Mittelmeer fischen und ins Stadion von Tunis bringt, sodass ein wiederum sehr starker Spieler den Ball in Richtung Oslo abstossen kann, würde auch er das Tor der Norweger nicht treffen. Denn da der Ball nun die höhere Drehgeschwindigkeit von Tunis mitnimmt, wird das langsamere Oslo den durch die Addition der Teilbewegungen ermittelten Zielpunkt beim Eintreffen des Balls noch nicht erreicht haben: Stattdessen fällt der Ball weiter östlich vielleicht auf die Grenze zwischen Norwegen und Schweden.

Die Regeln für die Ablenkung durch die Corioliskraft

Ganz gleich, in welche Richtung der Ball auf der Nordhalbkugel gespielt wird: In Flugrichtung gesehen lenkt die Corioliskraft den Ball stets “nach rechts” (d.h. in Nord-Süd-Richtung nach Westen und in Süd-Nord-Richtung nach Osten).

Würde man ein ebenso unwahrscheinliches Fussballspiel auf der Südhalbkugel austragen, müsstet ihr die Zeichnung oben in einem Spiegel betrachten: An die Stelle des Nordpols tritt der Südpol (der ist auch auf jeder europäischen Landkarte unten, sodass ihr euren Atlas nun richtig herum halten könnt) und Osten ist nun rechts, sodass die Erde sich nun rechts herum dreht. Demnach “wirkt” auch die Corioliskraft nun in spiegelverkehrter Richtung:

Ganz gleich, in welche Richtung der Ball auf der Südhalbkugel gespielt wird: In Flugrichtung gesehen lenkt die Corioliskraft den Ball stets “nach links” (d.h. in Nord-Süd-Richtung nach Osten und in Süd-Nord-Richtung nach Westen).
Warum das unwahrscheinliche Fussballspiel?

Vielleicht habt ihr euch schon gefragt, weshalb ich so eine hahnebüchene Begebenheit wie ein Fussballspiel von Oslo nach Tunis ersinne, um die Ablenkung durch die Corioliskraft zu beschreiben. Würden realistischere Umstände nicht den gleichen Zweck erfüllen?

Mit dieser klugen Frage kommen wir zu den Wasserwirbeln in Kenia und Tansania zurück. Der gekrümmte Pfeil in der Grafik deutet es schon an: Da die Ablenkung durch die Corioliskraft auf unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Start- und Zielort einer Bewegung beruht, fällt eben diese Ablenkung um so grösser aus, je grösser der betreffende Geschwindigkeitsunterschied ist. Und der Geschwindigkeitsunterschied ist um so grösser, je weiter die Abstände von Start und Ziel von der Drehachse sich unterscheiden – d.h. je weiter Start und Ziel in Nord-Süd-Richtung voneinander entfernt liegen!

Warum die Corioliskraft für das Abfluss-Experiment keine Bedeutung hat

Beim Abfliessen aus einem vielleicht 40cm durchmessenden Trichter kommen die strömenden Wasserteilchen auf eine Bewegung von höchstens 20 Zentimeter in Nord-Süd-Richtung und wieder zurück. Dementsprechend winzig ist der Einfluss der Corioliskraft auf die Bewegungsrichtung der Teilchen – und dementsprechend einfach lässt sich die Bewegung durch andere Kräfte sehr gezielt beeinflussen.

Solche Kräfte lassen sich zum Beispiel durch eine angepasste Trichterform ausüben, welche die daran vorbei strömenden Wasserteilchen ganz unscheinbar in die gewünschte Richtung lenkt. Die Bemalung mit den auffälligen Spiralmustern lenkt recht erfolgreich von diesen kleinen Unterschieden ab.

Wenn ihr genau hinschaut, könnt ihr im Video erkennen, dass der Trichter, der “auf dem Äquator” zum Einsatz kommt (welcher übrigens den Wirbel mittig halbiert, sodass die entgegengesetzte Wirkung der Coriolis-Ablenkung in der Nord- und Südhälfte sich aufheben soll), eine andere Form zu haben scheint als die Trichter für den Norden und den Süden.

 

Wo ihr die Auswirkung der Corioliskraft wirklich beobachten könnt

Wenn bei der Wettervorhersage im Fernsehen eine bewegte Wetterkarte zum Einsatz kommt, sind darauf meist riesige Wolkenwirbel zu sehen, die sich in die eine oder andere Richtung drehen. Es handelt sich dabei um Gebiete mit besonders hohem oder besonders tiefem Luftdruck. Ein hoher Luftdruck führt dazu, dass Luft in alle Richtungen von dem Gebiet wegströmt, während tiefer Luftdruck dazu führt, dass aus allen Richtungen zum betreffenden Gebiet hinströmt.

Diese Luftströmungen sind Hunderte bis Tausende Kilometer lang – und da die Lufthülle des Planeten sich im Grossen und Ganzen mit der Erde mitdreht, wirkt auf die strömenden Teilchen eine Corioliskraft. Die führt dazu, dass die Luftströme nicht geradlinig auf ein “Tief” zu oder von einem “Hoch” weg strömen, sondern in krummen, einen abflussähnlichen Wirbel bildenden Bahnen.

Der Coriolis-Ablenkung wegen drehen sich die Wirbel um Hochdruckgebiete auf der Nordhalbkugel stets “nach rechts”, also im Uhrzeigersinn, während die Wirbel um Tiefdruckgebiete – hier strömt die Luft in umgekehrter Weise – sich stets “nach links”, also gegen den Uhrzeigersinn drehen. Auf der Südhalbkugel, wo die Corioliskraft in seitenverkehrter Weise wirkt, ist das genau umgekehrt.

Um dagegen die Wirkung der Corioliskraft auf Wasserwirbel sichtbar zu machen, müssen diese mindestens ein paar Meter durchmessen und in aufwändig vor äusseren Einflüssen geschützter Umgebung im Labor kreisen können – auf der Strasse in Kenia funktioniert das jedenfalls nicht!

Seid ihr dem Mythos um die Drehrichtung von abfliessendem Wasser auch schon begegnet?

Und wenn ihr anlässlich der kommenden Weltmeisterschaft nur noch Fussball im Kopf habt, habe ich auch eine passende Anekdote aus der Chemie: Die Natur hat nämlich ein originalgetreues Fussball-Molekül erfunden!

Oster-Experiment: Wie geht das Ei in die Flasche?

Lang ist es nicht mehr hin: Nächste Woche ist schon Ostern – da ist noch gerade eben Zeit für ein schnelles Freihand-Experiment, bis der Osterhase kommt. Besser gesagt, für ein kleines Rätsel, das ihr eurer Familie oder euren Freunden zum Osterfest aufgeben könnt:

Wie bekommt ihr ein Ei in eine scheinbar zu enge Flasche – ohne es mit der Hand zu quetschen?

Ihr braucht dazu

  • Ein hartgekochtes Ei, ohne Schale
  • Eine Glasflasche, deren Öffnung nur wenig kleiner als das Ei ist
  • Streichhölzer – oder ein Feuerzeug und einen Streifen Papier

Was ihr braucht: Glasflasche mit weiter Öffnung, hartes Ei und Streichhölzer

Wie ihr das Experiment durchführt

Präsentiert euren Zuschauern das gepellte Ei, die Flasche und die Streichhölzer bzw. das Feuerzeug samt Papier. Stellt ihnen die Aufgabe: Bringt das Ei in die Flasche, ohne dass es kaputt geht – also nicht mit der Hand quetschen! Wenn sie die Antwort nicht selbst herausfinden, macht wie folgt weiter:

  1. Entzündet 3 Streichhölzer gleichzeitig und lasst sie sogleich brennend in die Flasche fallen. Alternativ: Steckt das Papier mit dem Feuerzeug in Brand und lasst es ebenfalls brennend in die Flasche fallen.
  2. Sobald das Feuer erlischt, setzt das gepellte Ei mit dem schmalen Ende nach unten auf die Öffnung, sodass es diese dicht schliesst.

    Streichhölzer sind aus - das Ei ist auf der Öffnung.

    Bis hier hin und nicht weiter: Da brauchte ich dann schwerere Geschütze.

  3. Wartet einige Minuten: Das Ei wird wie von selbst in die Flasche gleiten!

    Das Ei wandert in die Flaschenöffnung.

    Jetzt geht es besser: Das Ei schiebt sich in den Flaschenhals.

  4. Sollte das Ei nicht ganz durch den Flaschenhals gleiten, könnt ihr die Flasche auch ein paar Minuten in den Kühlschrank – oder an diesem voraussichtlich kalten Osterfest nach draussen – stellen.

    Das Ei steckt fast ganz im Flaschenhals!

    Noch ein Bisschen, dann…

Wenn die Flaschenöffnung zu schmal (oder das Ei zu gross für die Öffnung ist) – da können Millimeter entscheidend sein – kann dabei passieren, was mir passiert ist:

Die Flasche war zu eng fürs Ei : Jetzt ist nur die Hälfte drin!

Dumm gelaufen: Die Kräfte der Natur haben das Ei entzwei gerissen.

Das Ei wird förmlich halbiert! Wenn ihr bei eurer Vorführung Wert auf ein heiles Ei legt, probiert das Ganze vorher aus, bis ihr die passende Flasche zu euren Eiern bzw. die passenden Eier zur Flasche habt.[yellow_box]

Was passiert da?

Teilchen-Bewegung ist Wärme

Luft ist ein Gas (genau: ein Gemisch aus mehreren Gasen), das aus unzähligen winzig kleinen Teilchen besteht. Diese Teilchen sausen kreuz und quer durch den Raum und stossen ständig gegeneinander und gegen feste (und flüssige) Stoffe, die ihnen im Weg sind. Mit anderen Worten: Die wuseligen Luft-Teilchen brauchen eine Menge Platz – so wie die Kinder einer Schule, die auf dem Pausenplatz spielen.

Wie sehr die Luft-Teilchen wuseln, können wir direkt spüren – wir nehmen ihre Bewegung nämlich als Wärme wahr. Das heisst: Je mehr die Teilchen sich bewegen, desto wärmer ist die Luft. Und das heisst wiederum: Je wärmer die Luft ist, desto mehr Platz braucht sie!

Teilchen-Bewegung ist Druck

Indem ihr brennende Streichhölzer oder Papier in die Flasche werft, sorgt ihr dafür, dass das Feuer die Luft ordentlich aufwärmt, sodass die Luft-Teilchen in der Flasche sich schneller bewegen und häufiger gegeneinander und gegen die Flaschenwände rempeln. So brauchen die Teilchen mehr Platz – und diejenigen, die nun nicht mehr in die Flasche passen, werden durch die Öffnung nach draussen gedrängt. Da der Raum draussen – die Erdatmosphäre – praktisch unbegrenzt ist, wird so gewährleistet, dass in der Flasche und draussen letztendlich der gleiche Druck herrscht.

Sobald ihr das Ei auf die Öffnung setzt, verschliesst es diese vollständig. Wenn danach die Luft in der Flasche langsam wieder abkühlt, bewegen die Teilchen sich weniger und brauchen weniger Platz: Die Luft-Teilchen rempeln weniger gegeneinander, gegen die Flaschenwände und gegen das Ei. Da die Flasche nun verschlossen ist, können die zuvor hinausgedrängten Teilchen jedoch nicht wieder hinein. So entsteht im Inneren der Flasche ein Unterdruck.

Wie die Luft-Teilchen das Ei bewegen

Draussen bleibt der Druck dagegen stets gleich – und damit höher als drinnen. So drückt die Luft draussen die Umhüllung der Luft drinnen zusammen. Der Glasflasche macht das jedoch nichts – die ist hart und steif. Das Ei hingegen ist bis zu einem gewissen Grad formbar und überdies nicht fest mit der Flasche verbunden. Im Gegenteil: Es ist ziemlich glatt, sodass es an der Glaswand entlanggleiten kann.

So können die Luft-Teilchen, die von aussen gegen das Ei rempeln – also Druck machen – das Ei damit in den Flaschenhals hinein schieben, sobald die Luft-Teilchen innen mangels Wärme nicht mehr dagegen halten können! Wenn durch das Abkühlen der Temperatur- und damit der Druckunterschied zwischen drinnen und draussen gross genug wird, kann das Ei vollständig in die Flasche hinein geschoben – oder, wenn die Öffnung zu eng ist, im schlimmsten Fall entzwei gequetscht werden.

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Wie ihr das Ei wieder aus der Flasche bekommt

Es ist dazu nicht nötig, die Flasche zu zerschlagen! Geht stattdessen einfach wie folgt vor:

  1. Dreht die Flasche um, sodass das Ei von innen auf die Öffnung fällt und den Flaschenhals vollständig verschliesst.
  2. Lasst heisses fliessendes Wasser über den Flaschenbauch laufen (passt dabei auf eure Finger auf!) oder erwärmt die Flasche mit einem Haarföhn. So wie sich die Luft in der Flasche wieder ausdehnt, gleitet das Ei genauso wieder nach draussen, wie es in die Flasche hinein gekommen ist. Das hat sogar mit meinem halben Ei funktioniert!

Ihr könnt das Ei natürlich auch mit Hilfe des Haarföhns oder heissen Wassers in die Flasche hinein bekommen, wenn ihr kein offenes Feuer verwenden möchtet. Dann benutzt allerdings besser einen Kochhandschuh um die Flasche festzuhalten, während ihr sie gründlich erwärmt.

Entsorgung

Gibt es keine! Das hartgekochte Ei (oder seine beiden Hälften) könnt ihr nach dem Experiment einfach aufessen. Sollte Russ daran gekommen sein, könnt ihr ihn vorher leicht abwaschen. Die Flasche könnt ihr sauber machen und für das nächste Osterfest und weitere Experimente aufheben!

Mehr Experimente mit Eiern findet ihr übrigens hier – und hier könnt ihr mehr über die Farbstoffe erfahren, mit denen wir unsere Ostereier färben.

Damit wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren und schöne Ostern!

Und wie sehen eure Naturforscher-Ostern aus?

Experiment: Abendrot im Milchglas

Zur Zeit bekommen wir ihn hier am Zürichsee selten zu sehen: Den klaren, blauen Himmel. Im Winter hängt nämlich meistens dicker, grauer Hochnebel über dem See. Wenn der sich aber doch einmal verzieht, ist die Farbe des Tageshimmels um so auffälliger blau – mit einer weissen Sonne darin. Und wenn die Bewölkung bis zum Abend locker bleibt, ist Romantik pur angesagt: Die lockeren Wolken oder dünnen Schleier glühen bei Sonnenuntergang (und ebenso bei Sonnenaufgang) rosa oder sogar leuchtend rot, während die Sonne darin rotgolden strahlt.

Aber wie entsteht eigentlich das wechselnde Farbenspiel an unserem Tageshimmel? Mit diesem einfachen Experiment könnt ihr selbst erforschen, wie die Farben an den Himmel kommen!

 

Warum der Himmel blau ist

Wenn wir draussen nach oben schauen, blicken wir durch die Atmosphäre unserer Erde. Die besteht hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff – zwei Gasen, die eigentlich farblos, d.h. durchsichtig sind. Das zeigt sich uns nachts, denn dann sieht man die Atmosphäre tatsächlich nicht, sondern den dunklen Weltraum dahinter mitsamt der Sterne darin.

Bei Tag ist es allerdings vorbei mit der Durchsichtigkeit – sobald Licht auf unsere Atmosphäre fällt, erscheint der Himmel farbig, und die Sterne dahinter sieht man nicht mehr. Das liegt daran, dass Sonnenstrahlen, die auf die Atmosphäre treffen, von einigen Teilchen darin in verschiedene Richtungen abgelenkt – die Physiker sagen gestreut – werden. Ein Teil des geordneten Strahlenbündels, das von der Sonne kommt, erreicht uns am Ende des Weges durch die Atmosphäre somit als wildes Strahlendurcheinander, ohne dass wir den Ursprung der einzelnen Strahlen feststellen könnten.  So sehen wir den Himmel als helle Fläche aus unzähligen Einzel-Lichtstrahlen.

Und weil Himmel und Sonne zu gross und sperrig sind, um damit herum zu probieren, könnt ihr euch solch einen Himmel mit ein paar simplen Zutaten aus der Küche als handliches Modell nachbauen!

 

Ihr braucht dazu

  • Einen grossen Glasbehälter
  • Leitungswasser
  • Ein wenig Milch
  • Eine weiss leuchtende Taschenlampe
  • Einen dunklen Raum

 

Wie ihr das Experiment durchführt

  • Füllt das Glas mit Leitungswasser.
  • Gebt einen Schuss Milch dazu und rührt ggfs. um, bis sich die Milch gleichmässig im Wasser verteilt hat.
  • Nehmt das Glas und die Taschenlampe mit in den dunklen Raum.
  • Haltet die Taschenlampe direkt an das Glas und leuchtet so hindurch (ein dunkler Schal kann ggfs. Ritzen zwischen Glas und Lampe abdichten, sodass kein Streulicht hindurch dringt).
  • Leuchtet zunächst von der Seite durch das Glas und schaut von vorne bzw. oben, dann leuchtet von hinten bzw. unten und schaut durch das Glas hindurch direkt in das Licht. Ihr könnt natürlich auch andere Winkel ausprobieren!

 

Was passiert da?

Ein Glas mit sauberem Wasser ist durchsichtig, wie der Himmel in der Nacht: Ihr könnt sehen, was sich dahinter befindet. In Wasser wird das Licht praktisch nicht gestreut. Wenn ihr etwas Milch dazu gebt, mischt ihr Teilchen in das Wasser, die das Licht stark streuen (Milch enthält relativ grosse Teilchen, wie Fettmoleküle und Proteine, die sich zudem nicht gut mit Wasserteilchen mischen lassen). So erscheint das Wasser-Milch-Gemisch bei (unsortiertem) Tageslicht undurchsichtig weiss.

Die Taschenlampe ist in diesem Modell die Sonne: Sie sendet kegelförmig geordnete Strahlen aus – in unserem Experiment direkt durch das durchsichtige Glas in das Milchwasser. Die Strahlen werden von den Milchteilchen abgelenkt, sodass selbst dann einige selbst dann in eure Augen fallen, wenn ihr das Glas von der Seite anleuchtet: Das ganze Milchwasser leuchtet – wie der Himmel am Tag!

Die Milch bringt Farbe ins Modell

Wenn ihr ganz genau hinschaut, werdet ihr feststellen: Das Milchwasser strahlt bläulich, wenn ihr mit der Taschenlampe von der Seite leuchtet und von vorn schaut. Wenn ihr direkt durch das Milchwasser ins Licht schaut, erscheint dagegen rötlich-golden!

Wie das kommt?

Weisses Licht ist ein Strahlengemisch aus Strahlen mit allen möglichen Wellenlängen – das bedeutet mit allen möglichen Farben (diese Farben könnt ihr zum Beispiel mit einem DIY-Spektroskop sichtbar machen, das auf Lichtbrechung und nicht auf Lichtstreuung beruht). Diese Farben werden aber nicht alle in gleicher Weise gestreut. Wie die streuenden Teilchen in der Luft streuen auch die Milchteilchen die blauen Strahlen (mit kurzen Wellenlängen) stärker als die roten (mit langen Wellenlängen).

Mittag im Modell

Wenn das weisse Licht nun von der Seite oder von oben kommt, werden die blauen Strahlen besonders weit (etwa im rechten Winkel) abgelenkt, sodass vornehmlich solche unsere Augen erreichen. So erscheint das Milchwasser blau, wenn die Taschenlampe von der Seite, von oben oder von unten strahlt, und der Himmel erscheint ebenfalls blau, wenn die Sonne hoch oben steht.

Experiment : Im Milch - Modell ist der Mittagshimmel blau

Morgen und Abend im Modell

Schaut ihr dagegen durch das Milchwasser in die Lampe, werden vornehmlich die blauen Strahlen zu den Seiten abgelenkt, sodass vornehmlich rotes Licht eure Augen erreicht: Das Milchwasser erscheint rötlich – wie auch der Himmel beim Sonnenuntergang oder -aufgang. Wenn ihr einen solchen beobachtet, werdet ihr tatsächlich feststellen, dass der Himmel nur in Richtung der Sonne rot leuchtet – je weiter ihr nach Norden, Süden oder sogar in die entgegengesetzte Richtung schaut, desto weniger rot werdet ihr finden.

Experiment: Im Milch-Modell ist der Sonnenuntergang rot

Mit der Taschenlampe könnt ihr so den Lauf der Sonne nachstellen und die Farbänderung beobachten: Leuchtet zunächst von rechts nach links und bewegt die Lampe dann hinten um das Glas herum (Licht nach vorn!), bis sie schliesslich von links nach rechts leuchtet.

Und wie kommt es nach Sonnenuntergang zur “blauen Stunde”?

Wenn die Sonne erst einmal hinter dem Horizont verschwunden ist und kein direktes Licht mehr zum Streuen schickt, zeigt sich, dass ein Bestandteil der Atmosphäre tatsächlich blau ist: Das Ozon, welches in der Stratosphäre – also weit oben – die schützende Ozonschicht bildet, schluckt nämlich den roten Anteil der letzten Strahlen-Irrläufer, die auch nach Sonnenuntergang (und vor Sonnenaufgang) um die Erdkugel herum finden. So kommt vornehmlich der blaue Anteil dieses letzten Lichtes bei uns an und beschert uns eine “blaue Stunde”, ehe es wirklich dunkel und die Atmosphäre damit durchsichtig wird.

Die Ozonschicht ist natürlich auch bei Tag vorhanden – dann aber wird weitaus mehr blaues Licht auf die Erde gestreut, als das Ozon schlucken kann (wie Stoffe Licht schlucken und warum so “dezimiertes” Licht uns farbig erscheint, habe ich übrigens hier genauer erklärt).

Ich wünsche euch viel Spass beim Erkunden eures Modell-Himmels! Und verratet uns doch: Welche farbigen Himmelsphänomene habt ihr schon “in echt” beobachten können?

Was macht man, wenn man das nass-kalte Winterwetter satt hat und sich nach dem Frühling sehnt, der aber noch weit weg ist? Man geht dahin, wo es warm ist! Viele Zoos haben auch im Winter einladende Behausungen für Tiere und Pflanzen aus aller Herren Länder – auch solchen, in welchen es stets warm und häufig sonnig ist.

Der “ZOOh” in Zürich wartet diesbezüglich mit einem besonderen Leckerbissen auf: Der riesigen Masoala-Regenwaldhalle, in welcher man sich kurzerhand in den Dschungel auf Madagaskar versetzen lassen kann – auch mitten im Winter!

Nicht nur dort, sondern auf dem ganzen Zoo-Gelände habe ich bei unserem jüngsten Besuch viele faszinierende Tiere entdeckt, die sich Physik oder Chemie auf teils spektakuläre Weise zu Nutze machen. So kommen selbst Forscher, die sich mehr für diese beiden als für die Biologie der Tiere interessieren, im ZOOh voll auf ihre Kosten.

Hinter diesem Beitrag steht KEINE Kooperation mit dem ZOOh in Zürich, d.h. es gibt keine Vereinbarung über eine Gegenleistung – ich gehe liebend gern in den Zoo und bin nicht zuletzt der räumlichen Nähe wegen in Zürich Stammgast. Dieser Beitrag ist damit eine ausschliesslich persönliche Empfehlung aus Eigeninitiative!

Der zoologische Garten – zum Lernen und für den Artenschutz

Wenn ihr einmal nach Zürich kommt (oder sogar in der Nähe lebt), ist der Zoo für Naturfreunde immer einen Besuch wert. Wunderschöne und leider oft vom Aussterben bedrohte Tiere können hier in meist hochmodernen Anlagen bewundert werden. Diese Tiere werden hier oder in anderen Zoos ausserdem nachgezüchtet, womit sich die zoologischen Gärten aktiv an der Erhaltung der Arten beteiligen. Damit die genetische Vielfalt dabei erhalten bleibt, tauscht man den Nachwuchs gerne untereinander, d.h. von Zoo nach Zoo aus.

Viele Anlagen in Zürich sind zudem nach Naturreservaten rund um den Globus benannt, mit welchen der Zoo in enger Verbindung steht. So ist er auch am Schutz der Tiere in ihrer jeweiligen Heimat beteiligt. Und der fängt damit an, unsereinem ohne grossen Aufwand eine Weltreise zu ermöglichen und die Tiere und ihre Heimat kennen zu lernen. Denn inzwischen sind alle sieben (Teil-)Kontinente im ZOOh vertreten:

  • Asien mit Trampeltieren, indischen Löwen und Elefanten
  • Afrika mit den Dschelada-Pavianen und den Bewohnern der Masoala-Regenwaldhalle
  • Europa in Form der Storchenkolonie auf dem Zoogelände und mehreren Eulen-Arten
  • Südamerika mit zwei Lama-Arten und dem Flachlandtapir
  • Nordamerika mit Reptilien wie der Sidewinder-Klapperschlange
  • Australien mit einer neuen Anlage, die im März 2018 ihre Tore öffnet!
  • Die Antarktis – mit gutem Willen – mit den Königspinguinen (die leben tatsächlich auf Inseln etwas nördlich der Antarktis, doch ich lasse sie als kleine Brüder des Kaiserpinguins gerne durchgehen)

Das sind natürlich nur Beispiele für die vielen verschiedenen Arten, die es hier zu entdecken gibt.

Damit ihr bei eurem Zoobesuch inmitten der Artenvielfalt einen roten Faden habt, habe ich euch ein Quiz rund um die Physiker und Chemiker unter den Tieren im ZOOh zusammengestellt.

Wie das Quiz funktioniert

Nehmt die folgenden Fragen als Printable oder auf eurem Mobilgerät mit in den Zoo und haltet dort die Augen offen: Welche Tierarten werden in den einzelnen Abschnitten beschrieben? Die Tiere sind in keiner bestimmten Reihenfolge aufgelistet. Ihr könnt euch im ganzen Zoo frei bewegen und so die Anlagen in beliebiger Reihenfolge besuchen.

Tragt jeweils den deutschen Arten-Namen des gesuchten Tiers (wie auf der jeweiligen Beschreibungs-Tafel angegeben, Einzahl, ä = ae, ö = oe, ü =ue) in die Liste ein. Die markierten Buchstaben ergeben ein Lösungswort, das ihr als Password eingeben könnt, um hier eure Experten-Urkunde herunter zu laden!

Wie ihr zum ZOOh kommt

In Zürich ist das Parkieren teuer. Deshalb reist ihr am einfachsten mit dem Zug nach Zürich an. Vom Hauptbahnhof (“HB”) lauft ihr etwa 300 Meter zur Tram-Station “Central” und fahrt von dort mit dem Tram Nummer 6 in Richtung Zoo bis ganz nach oben zur Endstation. Von dort aus folgt ihr einfach den Tierspuren bis zum Haupteingang. Genaueres, auch zu Öffnungszeiten und Eintrittspreisen, erfahrt ihr auf der Homepage des Zoos!

Während der Anreise könnt ihr euch die Vorfreude übrigens wunderbar versüssen, indem ihr schon einmal die spannenden Infos zu den Tieren in den Quizfragen lest.

Wenn Zürich zu weit weg ist

Natürlich könnt ihr das Quiz auch in einem oder mehreren anderen Zoos (ein einziger anderer Zoo, der alle gesuchten Tiere hält, ist vermutlich schwer zu finden), mit Hilfe des Internets oder schlauer Bücher lösen.

Die gesuchten Tiere

Die lebende Batterie

Was ihr Menschen erst mit Hilfe von Sonne, Wind und Wasser mühsam erzeugen und in Batterien abfüllen müsst, trage ich in meinen eigenen Zellen bei mir!

Jede zweckentfremdete Zelle meiner elektrischen Organe ist eine winzigkleine Batterie, die ich mit der Energie aus meiner Körperchemie aufladen kann. Das funktioniert wie bei Muskelzellen – nur dass meine elektrischen Zellen sich nicht zusammenziehen, sondern ihre Ladung speichern.

Da all meine aufladbaren Zellen in Reihe geschaltet sind – wie die Batterien einer grossen Taschenlampe – können sie, wenn sie sich alle miteinander entladen, bei einer Gesamtspannung von bis zu 600 Volt für einige Sekunden einen Strom von bis zu 0,83 Ampere erzeugen. Das ergibt eine Leistung von 415 Watt – für einen Augenblick genug für den Betrieb eines Haarföhns.

Also ärgere mich lieber nicht, sonst bekommst du noch einen Schlag ab!

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Doppelklebeband frei Haus

Meine kleineren Verwandten sind dafür bekannt, dass sie senkrecht oder gar kopfunter an Wänden, Zimmerdecken oder dem Glas ihres Terrariums hängen. Das kann ich auch, obwohl ich als Grösster meiner Familie bis zu 35cm lang und entsprechend schwer werde!

Möglich ist mir das dank unzähliger mikroskopisch winziger Härchen an meinen Fusssohlen, die zusammen eine wahnsinnig grosse Oberfläche haben. Und die vielen, vielen Moleküle auf dieser Oberfläche ziehen die Moleküle von Glas und Mauern an, bzw. werden von diesen angezogen.

So ergeben auch hier viele winzigkleine Effekte in der Summe einen Grossen: Meine Füsse kleben förmlich an der Oberfläche, ohne dass sie untrennbar damit verbunden wären. Übrigens nur, wenn es nicht zu nass ist: Auf einem Wasserfilm komme sogar ich ins Rutschen!

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Auch Tiere schätzen Lebensmittelfarben

Ich bin für meine auffällige, zuweilen als kitschig empfundene Farbe bekannt. Die ist aber nicht in meinen Genen festgeschrieben. Stattdessen nehme ich die Farbstoffe – es handelt sich um Carotinoide, die ihr z.B. von Herbstblättern, Eidotter bzw. als Vitamin A kennt – mit der Nahrung auf.

Hier im Zoo bekomme ich deshalb zum üblichen Futter extra orange Krevetten-Schwänze serviert, damit ich auch so ausschaue, wie ihr mich kennt!

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Hier stimmt die Chemie

Ich lebe eng mit einem giftigen Tier zusammen, das eigentlich mehr wie eine Pflanze erscheint. Diesen Partner zu berühren hat denn auch für die meisten Lebewesen einiges mit der Begegnung mit einer Brennnessel gemein: Es tut weh, und wer nicht aufpasst, wird gelähmt und gefressen.

Mir passiert das nicht, denn ich schmiere mich mit dem Schleim von der Oberfläche meines WG-Partners sein, sodass dieser glaubt, ich sei ein Teil von ihm selbst! Dafür gewinnt mein Partner aus meinen Hinterlassenschaften wertvolle Nährstoffe. So eine Symbiose ist schon praktisch.

Seit Anfang dieses Jahrtausends bin ich übrigens ein weltbekannter Disney-Star. Wer findet mich?

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Giftnudel

Ich bin eines der giftigsten Tiere der Erde! Mein Gift heisst Batrachotoxin und stört die Nervenreizleitung zu den Muskeln anderer Tiere. Die Folge sind Lähmungen, auch der Atemmuskeln, die meine Fressfeinde bis hin zu einem Menschen töten können!

Deshalb nutzten die Choco-Indianer in Kolumbien mein Gift für ihre Pfeile für die Jagd. Nichts desto trotz bin ich eine gute Mutter und kümmere mich um meinen Nachwuchs. Das ist in unserer Familie nicht selbstverständlich.

Achtung! Eine ganze Reihe meiner Verwandten leben ebenfalls im ZOOh! Deshalb ein Tipp: Mein deutscher Name, der meine Farbe beschreibt, enthält ein edles chemisches Element!

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Lichtgestalt

Mein physikalisch-chemischer Trick gereicht für einem nicht meinem sondern eurem Vorteil. Ihr könnt mich dank ihr nämlich leichter entdecken, bevor ihr ungewollt über mich stolpert (ich bin nämlich klein und meistens giftig). Meine Oberfläche strahlt nämlich hell, wenn man sie mit UV-Licht, dem sogenannten Schwarzlicht, beleuchtet: Ich fluoresziere!

Hier im Zoo bin ich übrigens Untermieter in der Anlage einer sehr viel grösseren Tierart – und natürlich ist meine Behausung mit einer Schwarzlicht-Lampe ausgestattet, mit der ihr mich zum Leuchten bringen könnt (Kathi hat vergessen, mein Schild abzulichten, weshalb hier meine allgemeine Bezeichnung genügt)!

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Lebendes Stimmungsbarometer

Bestimmt kennt ihr mich für meine Fähigkeit, innerhalb kürzester Zeit die Farbe zu wechseln. Das mache ich aber nicht, wie ihr oft erzählt, um mich zu tarnen, sondern um meine Laune kundzutun und mich den wechselnden Widrigkeiten meines Lebensraums anzupassen.

So bin ich bei Wärme hell, sodass ich einfallende Sonnenstrahlung und bei Kühle dunkel, um möglichst viel Strahlungswärme aufzunehmen. Als wechselwarmes Tier fällt es mir nämlich nicht leicht, meine Körpertemperatur stabil zu halten. Bei zu viel Sonne werde ich allerdings fast schwarz, damit ich keinen Sonnenbrand bekomme, und zur Paarungszeit ist bei uns Fasnacht: Um die Weibchen zu beeindrucken, werde ich dann so bunt wie möglich. Wie bunt, hängt davon ab, wo genau ich zu Hause bin.

Wie ich das hinbekomme? Meine Hautzellen enthalten Farbstofftröpfchen, die nach Bedarf umsortiert und neu geordnet werden können. Zusammen ergeben die Tröpfchen, die gerade oben liegen, ein farbiges Muster – wie Pixel ein Computerbild ergeben.

Wenn ihr mich in Zürich findet (das ist nicht einfach, weil ich hier unglaublich viele Möglichkeiten habe, mich zu verstecken), ist meine Grundfarbe in der Regel grün. Wenn Reto und Kathi mich besuchen, machen sie stets eine Wette: Wer mich zuerst findet, bekommt im Restaurant ein Dessert. Macht ihr mit?

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Geisterstunde

Ich bin ein Jäger und in der Regel nachts auf Beutezug. Deshalb muss ich besonders leise sein, damit die Mäuse und anderes kleines Getier mich nicht kommen hören.

An meinem samtig weichen Gefieder gleiten die Luftteilchen vorbei ohne zu verwirbeln. So ist, wenn ich fliege, kein Rascheln oder Flattern zu hören. Um so besser kann ich meine Beute hören – wenn ich sie nicht schon längst mit meinen grossen Augen gesehen habe – während ich lautlos auf sie herabstürze.

Ich bin übrigens nach einem tagsüber jagenden Verwandten benannt.

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Wasserfreund – Wasserfeind

Obwohl ich ein Vogel bin, könnte man meinen, ich hätte Fell. Meine Federn sehen wirklich nach Haaren aus. Davon habe ich auch gleich besonders viele: Innen flauschige Daunen, die halten mich warm. Die haarfeinen Federn aussen fügen sich dagegen zu einer glatten Oberfläche zusammen, an der Wasser einfach abperlt.

Damit das funktioniert, muss ich mein Gefieder regelmässig putzen und mit einem öligen Stoff aus meiner Bürzeldrüse einschmieren. Man unterscheidet nämlich Stoffe in “wasserliebend” und “fettliebend”. Wasserliebende Stoffe mischen sich prima mit Wasser, aber nicht mit Fetten. Fettliebende Stoffe mischen sich dagegen prima mit Fetten, aber nicht mit Wasser. Und zu letzteren zählt mein Öl für die Federn.

Das ist auch gut so, denn meine Beute sind Fische, denen ich erst einmal hinterher “fliegen” muss.

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Wärmetauscher gesucht

Wenn ihr Menschen warm habt, schwitzt ihr, und die Flüssigkeit auf eurer Haut nutzt eure Körperwärme, um zu verdampfen. So kühlt ihr euch ab. Da ich wie die meisten anderen Tiere keine Schweissdrüsen habe (die wären in meiner warmen und feuchten Heimat auch nicht besonders nützlich), muss ich mich anders kühlen.

Zum Glück ist mir ein Schnabel mit grosser Oberfläche gewachsen, über welchen ich überschüssige Körperwärme direkt aus dem Blut darin an die Luft abgeben kann!

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Lösungswort:

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Viel Spass bei eurem nächsten Zoo-Besuch

wünscht euch eure Kathi Keinstein!

Und erzählt doch in den Kommentaren, was ihr Spannendes im Zoo erlebt habt!

Luftschlangen und Konfetti - wie sie funktionieren

Ob Güdismäntig oder Rosenmontag: Heute geht es vielerorts bunt und lustig zu. Die grossen Festumzüge ziehen durch die Strassen, und bei all dem bunten Treiben dürfen besonders in Mitteleuropa zwei farbenfrohe Accessoires nicht fehlen: Luftschlangen und Konfetti.

Die Schweizer Fasnacht kommt vor allem nicht ohne Konfetti aus. Säckeweise kann man die bunten Papierschnipsel zur Zeit in jedem Supermarkt erstehen, und beim Umzug und allen anderen närrischen Gelegenheiten bewirft man sich damit, was das Zeug hält.

Besonders berüchtigt ist dabei die Konfetti-Badewanne. Die wird von einer Gruppe furchterregender Hexen auf einem Wagen mit dem Umzug mitgerollt. Und wenn diese Truppe in Sicht kommt, heisst es besonders für weibliche Zuschauer Obacht – denn die verschlagenen Begleiter (meist sind die Hexen nur scheinbar weiblich) entführen immer wieder gern jemanden vom Strassenrand und stecken sie komplett mit allem Drum und Dran in die schnitzelbunte Wanne. Mich selbst hat es zum Glück noch nie getroffen – denn Reto, mein Partner, hasst Konfetti in der Wohnung. Und die wären danach wohl unvermeidlich.

Nichts einzuwenden hat er dafür gegen Dekoration mit Luftschlangen. Farbe im Haus hellt schliesslich auch seinen grauen Februar auf, und die hübsch gelockten Papierschlingen lassen sich auch ohne grossen Aufwand wieder beseitigen. Aber wie funktionieren Luftschlangen eigentlich? Und seit wann gibt es sie? Wer hat sie erfunden?

Wie funktionieren Luftschlangen?

Wir kennen sie alle, die bunten, schmalen Papierrollen, die mit einem kräftigen Luftstoss zu quirligem Eigenleben erwachen. Doch wie können sie sich eigentlich entrollen, wenn wir doch durch das Loch in der Mitte blasen?

Bernoulli machts möglich: Schon anlässlich der Antwort auf die Leserfrage, wie denn ein Helikopter fliege, habe ich den nach ihm benannten Effekt erklärt, dank welchem Luft die unwahrscheinlichsten Dinge in Bewegung setzen kann. Eine Luftströmung geht nämlich stets mit einem Unterdruck entlang ihrer selbst einher, sodass solch eine Strömung bewegliche Gegenstände regelrecht ansaugen kann.

Wenn diese Gegenstände Tragflächen eines Flugzeugs oder Rotorblätter eines Helikopters sind, hebt dieser Sog sie (unterstützt von einem höheren Druck von unten) in die Höhe. Wenn es sich aber um die leichtgewichtige Innenwand einer Papierrolle handelt, an welcher die Luft entlang strömt, wird diese Innenwand in Stromrichtung aus der Rolle hinaus gesogen – und was daran hängt, muss zwangsläufig folgen.

So setzt ein Luftstoss durch die Rolle das Eigenleben der Luftschlange in Gang. Und wenn erst einmal genügend Papier in Bewegung ist, nimmt die klassische Mechanik ihren Lauf. Denn was einmal in Bewegung ist, hört damit nicht mehr auf, so lange es nicht durch äussere Umstände – wie den Luftwiderstand – dazu gezwungen wird. Und wenn letzterer die Schlange auszubremsen droht, bringt die Gravitation das Ganze zuende: Die Papierrolle wird vollständig abgewickelt.

Im Übrigen wollen Wissenschaftler an der TU München herausgefunden haben, dass zwischen 25 und 30 cm der optimale Abstand zwischen Mund und Luftschlangen-Rolle ist, um den wirksamsten Sog damit ein spektakuläres Entkringeln zu erzeugen.

Seit wann gibt es Luftschlangen? Und wer hat sie erfunden?

Nein, nicht die Schweizer. Die Luftschlange ist, wie viele spannenden Erfindungen, ein Zufallsprodukt. Und zwar aus dem Jahre 1887.

Damals leitete der deutsche Buchbindermeister Paul Demuth in Berlin eine Firma, die nützliche Papierprodukte herstellte. Dazu gehörten auch Telegrafenrollen – fest aufgewickelte schmale Papierstreifen, die man in einen Telegrafen-Empfänger einlegte, damit dieser fortlaufend Morsezeichen darauf drucken oder stechen konnte.

Eines Tages, so heisst es, liess einer von Demuths Angestellten eine solche frisch produzierte Rolle versehentlich fallen. Da Demuth scheinbar ein jähzorniger Chef war, klaubte er die Rolle auf und schleuderte sie wütend durch den Raum. Der Fahrtwind, welcher dabei durch das Loch in der Mitte pfiff, führte dabei zum Bernoulli-Effekt und wickelte das Telegrafenband zu einer hübschen Spirale aus, die dann um so gemächlicher zu Boden geschwebt sein muss.

Einen Funken Humor (oder etwas mehr) muss Paul Demuth, der zu jener Zeit schon über 70 Jahre zählte, sich jedenfalls bewahrt haben. Denn er färbte die nächsten Papierrollen bunt ein und liess sein Spass-Produkt kurz darauf erfolgreich patentieren. Weniger humorvoll war damals, im deutschen Kaiserreich, die Berliner Polizei. Die wertete nämlich Demuths ersten Feldversuch mit der neuen Erfindung in Berlins Strassen als “Erregung öffentlichen Ärgernisses” an und nahm den Erfinder kurzerhand in Haft.

Und die Geschichte zu den Konfetti?

“Konfetti” leitet sich vom italienischen Wort für Konfekt ab. Mit diesen recht kostspieligen Süssigkeiten bewarfen sich dereinst die Wohlhabenden beim Karneval in Venedig. Unter der weniger reichen Bevölkerung, die sich diesen Spass nicht leisen konnte, wurden dazu entsprechende Attrappen aus Gips verwendet. Davon getroffen zu werden war allerdings eine ziemlich schmerzhafte Erfahrung.

Der Legende nach soll auch Paul Demuth zum Karneval in Venedig gewesen sein – und alsbald eine Idee gehabt haben, wie er das schmerzhafte Problem der Venzianer lösen konnte: Papierschnitzel sind billig, bunt und mangels Gewicht absolut nicht schmerzhaft (höchstens für die ordnungsliebende Seele). Und wenn man Anlagen zur Herstellung von Papierprodukten hat, kann man sie ganz einfach in grossen Mengen herstellen.

Noch heute werden übrigens Reste von buntem Luftschlangenpapier in grosse Locher-Maschinen gegeben, die die farbenfrohen Schnitzel daraus ausstechen. Allerdings hat Paul Wermuth es verpasst, auch diese Erfindung zum Patent anzumelden, sodass sie ihm nurmehr in der Legende zugeschrieben werden kann.

Während in Luzern auf meinem Neben-Bildschirm schon der Güdismäntigs-Umzug läuft, wünsche ich euch allen noch ein fröhliches Helau!, Alaaf!, Narri! Narro!, ä rüüdigi Fasnacht! Oder was man sonst noch bei euch wünscht und ruft!

Eure Kathi Keinstein

Verratet uns doch in den Kommentaren euren Fasnachts- bzw. Karnevalsruf oder – gruss – und erzählt vielleicht auch gleich von eurem närrischsten Erlebnis mit Luftschlangen oder Konfetti!

Experimente Zauber mit Oberflächenspannung

In der Schweizer Fasnacht sind Hexen zentrale Figuren, aber bestimmt sind auch Zauberer, Feen und andere magische Wesen bei der Kostümwahl beliebt. Mache dein magisches Kostüm wirklich einzigartig: Ich verrate dir, wie du wirklich zaubern und deine Freunde und (Mit-)Gäste verblüffen kannst! Die Physik bzw. Chemie machts möglich!

1. Die schwimmende Büroklammer

Du brauchst dazu

  • ein sauberes Glas mit Leitungswasser
  • ein wenig Flüssigseife
  • eine Büroklammer
  • eine Pinzette
  • deinen Zauberstab

 Material für Büroklammer vs. Oberflächenspannung

Wie du den Zauber durchführst

  • präpariere den Zauberstab, bevor die Zuschauer dabei sind: Gib ein wenig Flüssigseife auf die Spitze, sodass das nicht auffällt
  • In Gegenwart der Zuschauer: Lege die Büroklammer mit Hilfe der Pinzette vorsichtig auf die Oberfläche des Wassers im Glas. Die Klammer wird schwimmen.
  • Bereite dich mit dem nötigen Brimborium aufs Zaubern vor
  • Führe den Zauberstab dabei nahe an die WasseroberflächeAlles bereit: Jetzt dein Zauberspruch!
  • Tippe, während du deinen Zauberspruch sagst, mit der seifigen Spitze des Stabes 1 – 2 cm von der Büroklammer entfernt auf die Wasseroberfläche. Klammer wird sofort auf den Grund des Glases sinken.Keine Oberflächenspannung mehr: Die Klammer ist versunken!

Was passiert da?

Wenn du schon das letzte Experiment rund um die Dichte und die Anomalie des Wassers gelesen hast, wirst du wissen: Nur Dinge, deren Dichte kleiner ist als die von flüssigem Wasser, können darauf schwimmen. So sollte es jedenfalls sein. Trotzdem schwimmt die Büroklammer aus Metall (zum Beispiel Eisen), dessen Dichte um ein Vielfaches höher als die flüssigen Wassers ist!

Die Oberflächenspannung machts möglich

Das rührt daher, dass Wasserteilchen ausserordentlich fest zusammenhalten. Zwischen den Wasserteilchen bzw. -molekülen wirken auch im flüssigen Zustand stark anziehende Kräfte, die sogenannten Wasserstoffbrücken, welche auch einen weiteren Zaubertrick – Harry Potter und der krumme Wasserstrahl – möglich machen. Dank dieser Wasserstoffbrücken halten die Wasserteilchen so dicht zusammen, dass sie an der Luft (mit welcher Wasserteilchen so gar nicht wechselwirken mögen) eine relativ schwer zu durchdringende Oberfläche bilden.

Diese Oberfläche ist so stabil, dass sie sogar der Erdanziehung standhalten kann: Wassertropfen zerlaufen auf einer Unterlage nicht, um der Schwerkraft folgend möglichst flach zu werden. Stattdessen erscheinen sie gewölbt (dazu findet ihr ein Experiment bei Forschen für Kinder)! Wie die Haut eines aufgeblasenen Luftballons steht die Wasseroberfläche dabei unter Spannung. Deshalb wird diese fesselnde Eigenschaft des Wassers (und anderer Stoffe) “Oberflächenspannung” genannt.

Dank der grossen Oberflächenspannung des Wassers können auch kleine Eisenteile schwimmen, obwohl sie eigentlich zu dicht dafür sind – wenn ihr Gewicht, wie bei der Büroklammer, auf genügend Auflagefläche verteilt wird. So ist nämlich an keiner Stelle die Last gross genug, um die film-artige Wasseroberfläche zu durchbrechen.

Die Zauberkraft der Tenside

Seife – nicht nur flüssige – besteht aus Tensiden. Das sind ganz besondere Teilchen: Sie haben nämlich zwei unterschiedliche Enden, die mit unterschiedlichen wechselwirken! Das macht die Tenside zu kleinen Diplomaten. Während nämlich das eine Ende Wasserteilchen anzieht und von ihnen angezogen wird, pflegt das andere Ende anziehende Wechselwirkungen mit solchen Teilchen, die sich nicht gern mit Wasser mischen.

Das verleiht den Tensiden nicht nur ihre Super-Waschraft, die darauf beruht, dass sie zwischen Wasser und Fett “vermitteln” und dem Fett ermöglichen, sich mit Wasser zu mischen. Tenside vermitteln nämlich ebenso zwischen Wasser und Luft – die sich in Bezug auf Wechselwirkungen wie Fett verhält, nämlich wasserabweisend.

Was dein Zauber bewirkt

Wenn du mit der Seife am Zauberstab auf die Wasseroberfläche tippst oder kurz hinein tauchst, lösen sich die Tenside vom Stab und ordnen sich an der Wasseroberfläche an: (wasserliebendes) Köpfchen in das Wasser, (fett- bzw. luftliebendes) Schwänzchen in die Höh!

Streichholzmodell: Tenside an der Wasseroberfläche

Dadurch wird der Zusammenhalt zwischen den einzelnen Wasermolekülen minimiert, wenn nicht gar aufgehoben, sodass die Oberflächenspannung zusammenbricht. Ohne den festen Oberflächenfilm ist nichts mehr da, was die Büroklammer tragen könnte, sodass sie wie ein Stein auf den Grund sinkt, wie ihre Dichte es vorschreibt.

2. Der furchtsame Pfeffer

Du brauchst dazu

  • ein sauberes Glas mit Leitungswasser
  • gemahlenen Pfeffer oder ein anderes wasserunlösliches Pulver
  • Flüssigseife
  • deinen Zauberstab

Material für den Zauber mit Pfeffer

Wie du den Zauber durchführst

  • Bringe wie im 1. Versuch vorab ein wenig Flüssigseife auf die Spitze deines Zauberstabs.
  • Wenn die Zuschauer da sind, bestreue die Wasseroberfläche auf dem Glas dicht mit gemahlenem Pfeffer. Das Pulver wird auf der Wasseroberfläche schwimmen.Pfeffer schwimmt auf der Wasseroberfläche
  • Bereite dich mit dem nötigen Brimborium aufs Zaubern vor. Bringe dabei den Zauberstab in die Nähe der Wasseroberfläche.
  • Wenn du deinen Zauberspruch sagst, tippe die Stabspitze kurz – für höchstens ein bis zwei Sekunden – auf die Wasseroberfläche. Die Pulverkörner auf der Wasserfläche werden sofort vor der Stabspitze Reissaus nehmen und in Richtung der Glasränder drängen!Der Pfeffer flieht vor dem Zauberstab!

 

Was passiert da?

Es sind einmal mehr die Tenside, welche die Pfefferkörnchen zur Flucht bewegen. Wie eine Schar, die auseinanderstrebt, breiten sich die Seifenteilchen vom Zauberstab fort auf der Wasseroberfläche aus. Dabei schieben sie die schwimmenden Pulverkörner kurzerhand zur Seite.

Da wir die winzigen Seifenteilchen nicht sehen können, erscheint dies so, als würden die sichtbaren Pulverkörner vor dem Stab zurückweichen!

 

Damit dir und allen anderen Lesern ein fröhliches Ohhh Häx!, Helau!, Alaaf!, Narri! Narro! und was man im durch die Länder sonst noch alles ruft!

gefrorenes Wasser : Das Glas wird voller

Warum ist es eigentlich keine gute Idee, eine geschlossene Glasflasche mit Wasser ins Tiefkühlfach zu legen? Dieses Experiment zeigt euch eine ungewöhnliche, verblüffende Eigenschaft des Wassers – seine Dichteanomalie!

Der Januar war hier in den niedrigen Regionen der Schweiz viel zu warm, aber der Februar grüsst heute Morgen mit einer feinen Puderzucker-Schneeschicht. So könnt ihr in diesem Winter vielleicht doch noch Beobachtungen machen, die spannende Fragen aufwerfen: Warum friert bei einem Teich zuerst die Oberfläche zu, während das Wasser darunter flüssig bleibt? Und warum sieht ein Wasserkübel voller aus, wenn das Wasser darin zu Eis erstarrt?

Dass der Kübel tatsächlich voller ist, könnt ihr mit diesem einfachen Experiment nachweisen!

Ihr braucht dazu

  • Ein – möglichst schmales – Trinkglas, das in euer Tiefkühlfach passt
  • Ein Tiefkühlfach (wenn es draussen friert, genügt auch Platz auf Balkon oder Terrasse)
  • Kaltes Leitungswassser
  • Einen wasserfesten Filzstift
  • Ein Lineal
  • Optional: Gefäss mit Skala und eine Küchen- oder Laborwaage
Material für das Experiment

Das ist alles was ihr braucht, um Wasser wachsen zu lassen!

Wie ihr das Experiment durchführt

  1. Füllt das Glas etwa zwei Drittel hoch mit Leitungswasser und stellt es auf eine waagerechte Fläche.
  2. Markiert die Höhe des Wasserspiegels mit einem Filzstift-Strich. Mit dem Lineal könnt ihr die Füllhöhe zudem auch in Zentimetern messen.
  3. Stellt das Glas mit dem Wasser in euer Tiefkühlfach oder bei Frost nach draussen und wartet einige Stunden.
  4. Wenn das Wasser vollständig gefroren ist, nehmt das Glas wieder aus dem Tiefkühlfach bzw. nach drinnen und wartet wenige Minuten, bis die Luftfeuchtigkeit nicht mehr sofort einen weissen Schleier auf der Glasoberfläche bildet. Wischt eventuelle Reste dieses Schleiers ab (gebt dabei acht, dass der Filzstift-Strich erhalten bleibt!).
  5. Vergleicht die Höhe der Eissäule im Glas mit eurer Markierung. Mit dem Lineal könnt ihr den Höhenunterschied in Millimetern messen!

Wenn ihr eine Waage und ein Gefäss mit unterteilter Skala, zum Beispiel einen Messzylinder, habt, könnt ihr auch die Veränderung der Dichte des Wassers messen:

  1. Wiegt das Glasgefäss vor und nach dem Einfüllen des Wassers. Der Gewichtsunterschied entspricht der Masse des eingefüllten Wassers. Lest dann das Volumen des eingefüllten Wassers (in Millilitern oder Kubikzentimetern cm3) von der Skala des Gefässes ab. Notiert beide Werte.
  2. Um die Dichte des Wassers zu erhalten, teilt die Masse des Wassers durch sein Volumen (die Zahlen werden sich sehr ähneln, sodass das Ergebnis in der Nähe von 1 g/cm3 liegen wird).
  3. Nachdem das Wasser gefroren ist, lest das Volumen noch einmal ab (wenn die Oberfläche der Eissäule sich gewölbt hat, versucht den Wert zu schätzen!) und rechnet die Dichte des Eises wie in 2. aus (ein zweites Mal wiegen müsst ihr dazu nicht – die Masse des Wassers ändert sich nicht!).

Was ihr beobachten könnt

Nach dem Gefrieren reicht die Oberfläche der Eissäule deutlich über den ursprünglichen Wasserspiegel hinaus: Eis nimmt mehr Platz ein als das flüssige Wasser, aus dem es entsteht – das Wasser ist beim Einfrieren gewachsen! In meinem Glas ist die Eissäule ganze 8 Millimeter (wenn ich zudem die Wölbung berücksichtige, mindestens 1 Zentimeter) höher als das Wasser, das ich eingefüllt hatte!

Dichteanomalie sichtbar gemacht: Das Wasser ist gewachsen!

Wenn ihr die Dichte von Wasser und Eis bestimmt, werdet ihr feststellen, dass der Wert für das Eis etwas kleiner ist als der für das Wasser (die Masse bleibt dabei unverändert: Vor und nach dem Gefrieren ist (annähernd) gleich viel Wasser im Glas).

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Wie kann Wasser wachsen, wenn es friert?

Nur ganz wenige Stoffe können das. Normalerweise werden Stoffe grösser, je wärmer sie werden. Das rührt daher, dass die Teilchen in warmen Stoffen sich heftiger bewegen als die gleichen Teilchen in kalten Stoffen. Und was ständig herumzappelt oder gar -wuselt, braucht einfach mehr Platz. Das heisst auch, dass diese Stoffe kleiner werden, wenn man sie abkühlt – also auch, wenn sie gefrieren.

Wasser und einige wenige Stoffe, wie die Elemente Bismut, Gallium, Germanium, Plutonium, Silicium und Tellur , fallen da allerdings aus dem Rahmen: Sie werden mitunter grösser, wenn sie abkühlen.

Wasser verhält sich nicht “ganz normal”

Flüssiges Wasser verhält sich genaugenommen ganz normal, so lange seine Temperatur über rund 4°C liegt. Dann gilt auch hier: Je wärmer das Wasser ist, desto wuseliger sind die Teilchen, aus denen es besteht, und desto mehr Platz nimmt es ein. Oder umgekehrt: Je kälter das Wasser ist, desto weniger wuseln die Teilchen und desto weniger Platz nehmen sie ein.

Bei rund 4°C passiert dann etwas neues: Wenn das Wasser noch kälter wird, bereiten die Wasserteilchen sich darauf vor, Eiskristalle zu bilden: Sie rotten sich zusammen und bewegen sich nurmehr in der Nähe der Plätze, die sie in einem Eiskristall-Gitter einnehmen würden. So wie Kinder, die “die Reise nach Jerusalem” spielen und – wenn sie erwarten, dass die Musik abbricht – darauf aus sind, in der Nähe der freien Stühle zu sein.

Und das Eiskristall-Gitter hat es in sich: Das Muster , in dem die Wasserteilchen darin angeordnet werden, ist nämlich ziemlich grobmaschig. Die anziehenden Wechselwirkungen, “Wasserstoffbrücken” genannt, welche die Wasserteilchen im Gitter zusammenhalten, halten sie nämlich gleichzeitig ziemlich auf Abstand voneinander.

Ein Modell des Eiskristall-Gitters : Jeder schwarze Knoten ist ein Wasserteilchen. Die Wasserstoffbrücken – dargestellt als grüne Streben – halten die Teilchen auf Abstand!

So kommt es, dass die Wasserteilchen schon beim Zusammenrotten vor dem Gefrieren auf Abstand gehen – so wie es die spielenden Kinder wohl täten, wenn man die freien Stühle voneinander entfernt aufstellen würde. Deshalb braucht flüssiges Wasser zunehmend mehr Platz, wenn es kälter als 4°C wird.

Unmittelbar vor dem Gefrieren sind die Wasserteilchen am weitesten – also entsprechend der Maschen im Eiskristallgitter – verteilt und nehmen schliesslich ihre festen Plätze im Gitter ein: Wenn Wasser einmal erstarrt ist, wächst das Eis nicht mehr weiter!

Weil das “Wachsen” eines abkühlenden Stoffes im Vergleich zu den meisten anderen Stoffen nicht ganz normal ist, nennen Chemiker und Physiker diese ungewöhnliche Eigenschaft eine Dichteanomalie.

Dichte – und warum Teiche stets von oben zufrieren

Der eingefrorene Wasserkübel sieht also nicht nur voller aus – er ist tatsächlich voller! Man kann das Ganze jedoch auch aus einem anderen Blickwinkel betrachten:

Würde die Wasserteilchen in einem Milliliter kaltem Wasser zählen und ihn dann einfrieren, dann wäre der entstehende Eisklumpen grösser. Um einen ordentlichen Vergleich anzustellen, könnte man aus diesem Eisklumpen einen Eiswürfel herausschneiden, der einen Milliliter fasst (das Volumen des Eiswürfels beträgt einen Milliliter). Würde man die Teilchen in diesem Eiswürfel zählen, wäre das Ergebnis eine kleinere Zahl als für einen Milliliter flüssiges Wasser – denn die Wasserteilchen, die nach dem Wachsen keinen Platz mehr im Würfel fanden, hat man schliesslich vorher weggeschnitten.

Da man mit dem Zählen von Stoffteilchen aber eine schiere Ewigkeit beschäftigt wäre, ist es wesentlich praktischer, die Teilchen alle zusammen zu wiegen. Denn jedes Teilchen hat seine Masse, die es zur Gesamtmasse eines Milliliters beisteuert. Da in einem Milliliter Eis weniger Teilchen sind, als in einem Milliliter flüssigen Wassers, wiegt ein Milliliter Eis entsprechend weniger.

Um diese veränderliche Eigenschaft von Stoffen zu beschreiben, verwenden Physiker die “Dichte”: Sie geben die Masse für ein bestimmtes Volumen des jeweiligen Stoffes an: rho = m/V . Damit lassen sich verschiedene Gesetzmässigkeit einfach ausdrücken: Aus “die meisten (flüssigen) Stoffe werden um so kleiner, je kälter sie werden” wird so “die Dichte der meisten (flüssigen) Stoffe nimmt zu (d.h. mehr Teilchen drängen sich in einem festgelegten Volumen zusammen – das Volumen wird schwerer), wenn sie kälter werden”.

Warum Eis schwimmt

Die wenigen Stoffe, für die das nicht uneingeschränkt gilt, weisen damit eine Dichteanomalie auf. Dieser Anomalie wegen hat Eis eine geringere Dichte als Wasser.

Und damit kommen wir zu einer weiteren Gesetzmässigkeit über die Dichte von Stoffen: Füllt man zwei Stoffe (davon ist mindestens einer flüssig und keiner ein Gas) mit unterschiedlicher Dichte, die sich nicht vollständig mischen, in ein Gefäss, dann schwimmt der Stoff mit der geringeren Dichte oben.*

*Tatsächlich gilt dies nur unter Vernachlässigung einiger äusserer Umstände, zu denen ihr bald hier mehr erfahren könnt.

Das gilt natürlich auch für Eis und Wasser – deshalb schwimmen die Eiswürfel im gekühlten Drink stets obenauf!

Warum Teiche von oben einfrieren

Darüber hinaus gilt das Gesetz auch innerhalb ein und desselben flüssigen Stoffs, wenn dieser in verschiedenen Bereichen eine unterschiedliche Dichte hat (weil diese Bereiche unterschiedlich warm sind). Wenn ein anfangs warmer Teich abkühlt, ordnet sich das kalte Wasser (das die höhere Dichte hat) unterhalb des wärmeren Wassers (mit niedrigerer Dichte) an. Da Wasser bei rund 4°C die höchste Dichte hat, landet das 4°C kalte Wasser somit ganz unten – darüber sind die Schichten wärmer.

Wenn es nun im Winter richtig kalt wird, kühlen die oberen Wasserschichten unter 4°C ab. Der Dichteanomalie wegen nimmt ihre Dichte dabei jedoch ab – und die kalten Schichten bleiben oben. Mehr noch: Die kälteste Sicht – mit der geringsten Dichte – ordnet sich ganz oben an, und erstarrt dort schliesslich als erstes zu Eis.

Wasser im Teich nach Dichte sortiert

Dichteverteilung im Teich: Links wenn es warm ist: unten – bei 4° ist das Wasser am dichtesten. Rechts wenn es kalt ist: Das dichteste Wasser ist unten – kälteres Wasser ist weniger dicht! By Klaus-Dieter Keller, details from KnowItSome, Tango! Desktop Project, Julo, Spax89 [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

So freuen wir uns, wenn wir auf der Teichoberfläche Schlittschuh laufen können, während die Fische darunter sicher sein können, flüssiges Wasser zum Schwimmen und Atmen zu finden, wenn sie nur nach ganz unten tauchen (so lange der Teich nicht komplett durchfriert).

Dank der Dichteanomalie des Wassers können nicht nur Fische den Winter überleben – womöglich hat auch das Leben auf der Erde dank dieser ungewöhnlichen Eigenschaft mehrere Eiszeiten überdauern können – sodass wir die Anomalie heute in einem Glas im Tiefkühlfach beobachten können. Spannend, nicht?

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Und nun zum Abschluss eine Quizfrage: Welche “äusseren Umstände” führen dazu, dass das Gesetz “der Stoff mit der geringeren Dichte schwimmt oben” in Wirklichkeit mehr eine Faustregel ist, die oftmals nicht streng zu gelten scheint?

Die Auflösung samt einem spannenden Experiment gibt es nächste Woche hier in Keinsteins Kiste!

Ein Herz aus Eis

Bald ist Valentinstag, und wieder einmal sind viele darauf aus, die Herzen ihrer liebsten schmelzen zu lassen. Ich habe zu diesem Zweck bei einer englischsprachigen Kollegin ein wunderbar farbenfrohes Experiment aufgestöbert. Damit könnt ihr nicht nur jedes Herz aus Eis zum Schmelzen bringen, sondern gleich erforschen, wie das Schmelzen eigentlich abläuft!

Du brauchst dazu

  • Eine wasserdichte Herzform (zum Beispiel eine Silikon-Kuchenform oder eine gut schliessende Springform
  • Wenn du eine Springform verwendest: etwas Frischhaltefolie
  • Lebensmittel- oder/und wasserlösliche Acrylfarbe
  • Ein grosses Tablett mit Rand, eine flache Wanne oder ein Backblech
  • Platz im Tiefkühlfach für die Herzform
  • Ein Gefäss zum Ausgiessen
  • Leitungswasser
  • Speise- oder Streusalz
  • Etwas zum Umrühren (z.B. einen Rührstab oder Löffel)

Wie du das Herz zum Schmelzen bringst

Dazu muss das Herz erst einmal richtig eiskalt werden! Das schaffst du wie folgt:

  1. Fülle deine Herzform maximal zu drei Vierteln hoch mit Wasser (Mache sie nicht ganz voll! Wasser dehnt sich aus, wenn es gefriert und braucht daher mehr Platz als wenn es flüssig ist!). Wenn du ein rosarotes oder andersfarbiges Herz haben möchtest, rühre etwas Lebensmittelfarbe in das Wasser. Falls du eine Springform verwendest: Probiere vorher mit etwas ungefärbtem Wasser aus, ob sie dicht hält. Falls nicht: Lege die Springform vor dem Einfüllen des gefärbten Wasser mit einem (!) Stück Frischhaltefolie aus.
  2. Stelle die Form mit dem gefärbten Wasser vorsichtig ins Tiefkühlfach und warte etwa einen halben Tag.

Wenn das Herz vollständig gefroren ist, geht es weiter:

  1. Nimm das Herz aus dem Tiefkühlfach, löse das Eis aus der Form (falls es festgefroren ist: spüle die Form kurz mit warmem Wasser ab und drücke das Eis sofort heraus). Falls du Frischhaltefolie zum Abdichten verwendet hast, löse sie so vollständig wie möglich vom Eis.
  2. Lege das Herz auf das Tablett mit Rand. Ich habe weisse Küchentücher untergelegt, damit auf meinem schwarzen Backblech die Farben besser sichtbar bleiben.
  3. Streue Salz auf das Eis-Herz (sei dabei nicht sparsam). Das Eis wird um das Salz herum besonders schnell zu schmelzen beginnen.Streue Salz auf das Herz
  4. Verdünne die Acrylfarbe mit etwas Wasser bzw. rühre Lebensmittelfarbe in Wasser ein.
  5. Giesse die farbige Flüssigkeit vorsichtig über das Herz und beobachte.Giese Farbe über das gesalzene Herz

 

Was du beobachten kannst

  • Wenn du das gefrorene Herz aus dem Tiefkühlfach nimmst, wird es bei Raumtemperatur sehr langsam zu schmelzen beginnen.
  • Dort, wo du Salz darauf streust, wird das Eis sehr viel schneller tauen. Mit der Zeit fressen sich regelrecht Ritzen und Spalten in das Eis.
  • Wenn du farbige Flüssigkeit über das schmelzende Eis-Herz giesst, wird sie in und durch die Spalten laufen und die feinen Verästelungen deutlich sichtbar machen.

    im schmelzenden Eis - Herz bilden sich Furchen

    Hier ist schon einiges weggeschmolzen. Der Boden der Springform hatte eine karierte Struktur, die zu einer sehr regelmässigen Verteilung der Spalten beigetragen hat.

  • Nimm dir Zeit und beobachte das faszinierende Farbenspiel und die filigranen Strukturen, die das schmelzende Eis bildet! Wenn du eine Kamera hast, kannst du auch herrlich surreale Bilder davon machen!

    Acrylfarbe auf schmelzendem Eis

    Die stark verdünnte Farbe verläuft sich schnell. Mit reiner Acrylfarbe werden die Aushöhlungen und Schluchten noch besser sichtbar!

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Wie geht das Schmelzen vor sich?

Alle Stoffe bestehen aus winzigkleinen Teilchen. Die Art und Weise, wie wir die Stoffe wahrnehmen, hängt vom Verhalten dieser Teilchen – und vor allem von den Wechselwirkungen zwischen ihnen – ab.

Feststoff oder Flüssigkeit: Eine Frage der Bewegung

(Wasser-)Eis und Wasser sind ein und derselbe Stoff. Je nach herrschender Temperatur erscheint uns dieser Stoff fest oder flüssig (oder – bei ausreichend hoher Temperatur – sogar gasförmig: als Wasserdampf). Diese Erscheinungsformen – welche Chemiker und Physiker “Aggregatzustände” nennen – sind das Ergebnis unterschiedlicher Beweglichkeit der winzigen Stoffteilchen.

Im Feststoff sitzt längst nicht alles fest

In einem Eisblock, das heisst bei Temperaturen unter 0°C, sind die Wasserteilchen auf festgelegten Positionen angeordnet. Die Teilchen wechselwirken dabei mit ihren Nachbarn: Anziehung zwischen den Teilchen sorgt dafür, dass sie auf ihrem Platz bleiben, und die Ausrichtung dieser anziehenden Wechselwirkungen (im Fall von Wasserteilchen sind das vornehmlich sogenannte “Wasserstoffbrücken”) bestimmt das Muster der Anordnung. Die Teilchen sind also zu einem sich immer wiederholenden “Gitter” angeordnet, das wir – wenn es gross genug ist – als Festkörper wahrnehmen: Zum Beispiel als gefrorenes Herz.

Die Stoffteilchen sind allerdings ziemlich unruhige Gesellen. Ständig zittern und zappeln sie auf ihren Plätzen im Gitter herum – je höher die Temperatur des Ganzen ist, desto heftiger. Erst wenn man die Temperatur des Festkörpers auf den absoluten Nullpunkt (also 0 Kelvin oder -273,15°C) senken würde, wären die Teilchen im Gitter vollkommen ruhig.

Flüssigkeiten: Ein lebhaftes Gedränge

In einer Flüssigkeit gibt es keine festen Plätze mehr. Die Wasserteilchen in flüssigem Wasser bewegen sich weitestgehend frei gegeneinander, werden aber durch die anziehenden Wechselwirkungen nah beieinander gehalten. So geht es in der Flüssigkeit zu und her wie in einer bewegten Menschenmenge: Es strömt und fliesst und drängt hierhin und dorthin, und ununterbrochen ist man mit anderen auf Tuchfühlung. Wer schon einmal auf einer Grossveranstaltung wie der Street Parade in Zürich war, weiss, wovon ich schreibe.

Wie eine grosse Menschenmenge werden auch die Teilchen einer Flüssigkeit jeden Behälter, in welchen man sie gibt, bis zur letzten Ecke ausfüllen und sich dabei der Schwerkraft folgend von unten nach oben aufschichten.

Drei Aggregatzustände im Modell

Stoffteilchen in drei Aggregatzuständen, wie du sie im Alltag beobachten kannst: Fest, flüssig, gasförmig

Aus fest wird flüssig: Der Schmelzvorgang

Unser gefrorenes Herz wird im Tiefkühlfach höchstens bis auf schlappe -18°C abgekühlt. Und bei Raumtemperatur wird es dann allenfalls noch wärmer. “Wärme” ist dabei nichts anderes als die Bewegung der Stoffteilchen: Je wärmer ein Stoff ist, desto grösser ist das Gezappel. Dabei können die herumzappelnden oder -flitzenden Teilchen eines Stoffes ihre Nachbarn anrempeln und ebenfalls in Bewegung versetzen.

Das tun zum Beispiel die Luft-Teilchen, die – wie in einem Gas üblich – völlig ungebunden im Raum herumsausen. Wenn sie auf ihrem Weg gegen die Oberfläche des Eisherzens rempeln, versetzen sie die Wasserteilchen im Gitter in Schwingung: Die Eis-Oberfläche wird wärmer.

Und wenn die Temperatur des Eises dabei 0°C erreicht, kann die Wärme-Energie auf noch andere Weise verwendet werden: Um die Wasser-Teilchen an der Eis-Oberfläche aus dem Gitter zu lösen. Die dafür aufgewendete Energie wird Schmelzwärme genannt – ich habe sie kürzlich hier näher erklärt.

Die aus dem Gitter gelösten Teilchen bleiben zunächst dicht beieinander, bewegen sich dabei aber weitgehend frei: Sie bilden eine Flüssigkeit – flüssiges Wasser.

Ein Festkörper schmilzt also von aussen nach innen, denn von aussen kommt die Wärme und nach aussen können die Flüssigkeits-Teilchen davonfliessen. Dabei ist ein Teilchen im Gitter umso mehr Rempeleien ausgesetzt, je mehr “Seiten” es hat, die nach aussen weisen. Vorspringende Ecken und Kanten schmelzen also schneller als ein massiver Block, der eine kleine Oberfläche hat, die mit warmer Luft in Berührung kommen kann!

Was das Salz dazu tut

Kochsalz-Teilchen mischen sich sehr gut mit flüssigem Wasser. Das führt dazu, dass die Wasserteilchen aus dem Eis nicht erst bei 0°C, sondern schon bei niedrigeren Temperaturen (bis -17°C !) aus dem Gitter gelöst werden. Wie das vor sich geht, habe ich hier erklärt.

Wenn wir Salz auf unser Herz streuen, lösen sich die Wasserteilchen in der direkten Umgebung der Salzkörner demnach schneller aus dem Gitter. So entstehen zunächst Mulden, dann regelrechte Ritzen und Spalten in der Eis-Oberfläche, an deren Wänden nun viel mehr Wasserteilchen den Rempeleien der wärmeren Luft bzw. des flüssigen Wassers ausgesetzt sind. So wachsen die Ritzen und Spalten schnell weiter.

Wenn wir nun farbige Teilchen (zum Beispiel Acryl- oder Lebensmittelfarbe) mit den Wasserteilchen mischen, werden die Ritzen, durch die das farbige Wasser-Farbstoffgemisch fliesst, sehr gut sichtbar.

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Entsorgung

Wasser mit Lebensmittelfarben und Resten von wasserlöslichen Acrylfarben zum Basteln kann in den Ausguss entsorgt werden! Grössere Mengen Acrylfarbe solltest du eintrocknen lassen (oder besser zum Malen verwenden!) und in den Hausmüll geben.

Ideen zum Weiterexperimentieren

  • Du kannst das Experiment natürlich auch zu jedem anderen Anlass bringen: Anstelle der Herzform funktionieren weihnachtliche, Oster- und andere Formen ebenso gut.
  • Du kannst zudem mit verschiedenen Farbtönen experimentieren und (leider recht vergängliche) Eiskunst kreieren und fotografieren.
  • Was ich noch nicht ausprobiert habe: Was geschieht, wenn man das Herz mitsamt Ritzen und Spalten wieder einfriert und später eine andere Farbe zum Giessen verwendet?

Ich wünsche dir viel Spass beim Herzen schmelzen – sowohl derer aus dem Tiefkühlfach als auch derer deines/r Liebsten!

Vor fünf Jahren machte erstmals die “ice and salt challenge” um eine erstaunliche Kältemischung auf Youtube die Runde: Youtuber streuen sich Kochsalz auf die nackte Haut und fügen dann Eiswürfel hinzu. Das Ganze wird augenscheinlich sehr kalt – und die Challenge besteht darin, die Kälte lange genug zu ertragen.

Vor einem Jahr schlug diese Schnapsidee einmal mehr Wellen in den Medien:

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Denn diese Challenge ist gefährlich!

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Das Körpergewebe wird nämlich durch Kälte genauso verletzt wie durch Hitze: Eis und Salz werden gemeinsam so kalt, dass sogenannte Kaltverbrennungen bis zweiten oder dritten Grades die Folge sein können!

So fragt eine Leserin berechtigterweise: Warum tun Eis und Salz gemeinsam auf der Haut so weh?

Die Antwort lautet: Weil das Gemisch sehr kalt wird! Mischt man Eis und Kochsalz zu gleichen Teilen, kann die Temperatur des Gemischs auch in wärmerer Umgebung vom Schmelzpunkt reinen Wassers bei 0°C auf bis zu -17°C absinken!

Warum Eis mit Salz besonders kalt wird

Eigentlich gibt es in der Physik die Eigenschaft “Kälte” nicht. Was wir als Kälte empfinden, ist das Resultat nicht vorhandener Wärme – also geringer Energie. Wenn etwas kalt wird, wird ihm also Energie entzogen. Und diese Energie darf nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht einfach verschwinden.

Tut sie auch nicht: In einem Gemisch aus Eis und Kochsalz spielen mehrere Phänomene, die Wärme für ihre Zwecke vereinnahmen, zusammen:

Schmelzwärme: Das Schmelzen erfordert Energie!

Der Versuch, den ich letzten Freitag hier verbloggt habe, hat gezeigt: Schon der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, in diesem Zusammenhang “Schmelzwärme” genannt, die dem schmelzenden Stoff und seiner Umgebung in Form von Wärme entzogen wird: Die Temperatur an der Oberfläche schmelzenden Eises stellt sich auf 0°C ein und steigt auch in wärmerer Umgebung nicht an.

Ebenso wenig nimmt sie weiter ab: Während am Schmelzpunkt, der auch Gefrierpunkt genannt wird, Wasserteilchen aus dem festen Eis-Gitter beweglich, also flüssig werden, ordnen sich andere, bewegliche Wasserteilchen wieder ins Gitter ein, werden also fest. Und dabei wird entsprechend Schmelzwärme freigesetzt.
Eis und Wasser befinden sich in einem Gleichgewicht, wie Le Châtelier es am Flughafen beschreibt!

Sobald sich dieses Gleichgewicht eingestellt hat, wird ebenso viel Schmelzwärme freigesetzt wie aufgenommen: Die Temperatur der beteiligten Stoffe ändert sich nicht.

Gelangt nun aus der Umgebung Wärme in dieses System, so verschiebt sich das Gleichgewicht weg von der Seite mit Wärme und damit hin zum flüssigen Wasser: Das Eis schmilzt.

Gefrierpunktserniedrigung: Wassermoleküle sind nicht multitaskingfähig!

Der Gefrierpunkt einer Kochsalzlösung in Wasser ist niedriger als der Gefrierpunkt von reinem Wasser. Dabei gilt: Je höher die Konzentration der Lösung (d.h. je mehr Salz mit dem Wasser vermischt) ist, desto niedriger ist ihr Gefrierpunkt. Chemiker und Physiker nennen diesen Effekt “Gefrierpunktserniedrigung”.

Das Auflösen von Kochsalz, also Natriumchlorid, in Wasser bedeutet, dass sich die Natrium- und Chlorid-Ionen einzeln mit den Wassermolekülen mischen. Dabei wird jedes Ion von einer bestimmten Anzahl Wassermoleküle eingehüllt (Chemiker sagen “hydratisiert”). Diese Wassermoleküle, die mit dem Einhüllen von Ionen “beschäftigt” sind, stehen damit nicht mehr für das Gefrieren – also der Umwandlung von flüssigem Wasser zu Eis, in der Gleichung oben von rechts nach links – zur Verfügung.

Gemäss dem Gesetz von Le Châtelier verschiebt sich das Gleichgewicht zum flüssigen Wasser, um den “Verlust” an flüssigem Wasser auszugleichen: Es schmilzt nun mehr Eis, als es erstarrt. Damit wird mehr Schmelzwärme aufgewendet, als frei wird: Die Temperatur nimmt ab – und zwar so lange, bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt hat.

Das geschieht, wenn die Temperatur der Mischung den Gefrierpunkt von Salzwasser-Eis erreicht hat. Erst dann kann nämlich das Wasser mitsamt der eingehüllten Ionen zu einem festen Stoffgemisch erstarren – vorher bildet sich auch aus Salzwasser, wenn überhaupt, nur reines Wassereis.

Was macht die Kälte für uns gefährlich?

Die biochemischen Reaktionen, die in unseren Zellen und Geweben ablaufen, sind darauf ausgelegt, bei rund 37°C – in unserer Haut auch bei ein paar Grad darunter – abzulaufen und optimal zusammen zu spielen. Sinkt die Temperatur in einem Körpergewebe darunter, werden die Stoffwechselreaktionen zunächst langsamer. Das ist nicht weiter tragisch – so lange die komplexen, ebenfalls auf 37°C ausgelegten Molekülstrukturen, aus denen wir bestehen, durch das Abkühlen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

Sobald das geschieht, gerät der Stoffwechsel der betroffenen Zellen spätestens bei der Wiederannäherung an die Betriebstemperatur (also wenn das Gewebe wieder warm wird), aus dem Tritt. Ab einem gewissen Grad des molekularen Durcheinanders veranlassen solche Zellen ihre Selbstzerstörung und begehen Selbstmord, bevor ihre Funktionsstörung ihre Nachbarn grossartig beschädigen können (Die Molekularbiologen nennen diesen programmierten Zelltod “Apoptose”).

Wenn den beschädigten Zellen jedoch nicht die Zeit bzw. die Energie bleibt, um die kontrollierte Selbstzerstörung zu durchlaufen – weil sie zum Beispiel zu schnell kalt oder heiss werden oder anderweitig drastisch beschädigt werden, kommt es zu einem zellulären GAU (“grössten anzunehmenden Unfall”): Die Zellen werden unkontrolliert zerstört und neben Alarmsignal-Stoffen (einem molekularen “Hilfeschrei”) gelangen durch die zerstörten Zellwände Stoffe aus dem Zellinneren ins “Freie”, die den Nachbarzellen gefährlich werden können. Wir nehmen das als Entzündungsreaktion, Rötung, Schwellung, Schmerzen, und – wenn sichtbar grosse Gewebeabschnitte betroffen sind – als hässliche Wunden – Zell-Schrott eben – wahr (Molekularbiologen nennen diesen unkontrollierten Zelluntergang “Nekrose”).

Da in unkontrolliert entstandenem Zell-Schrott keine geordneten biochemischen Reaktionen und keine Blut- und damit Sauerstoffversorgung mehr möglich sind, kann “nekrotisches”, d.h. in einem “GAU” untergegangenes Gewebe nicht mehr heilen. Ebenso wenig funktioniert in solchen Gewebebereichen die Immun-Abwehr, sodass nekrotisches Gewebe leicht von Bakterien oder anderen unliebsamen Gästen infiziert werden kann.

Dabei macht es praktisch keinen Unterschied, ob der zelluläre GAU von starker Hitze oder starker Kälte herrührt: Kalt-Verbrennungen und Heiss-Verbrennungen unterscheiden sich in ihren Folgen nicht wesentlich. Das Auftreten von unumkehrbar zerstörtem Gewebe durch Hitze oder Kälte entspricht damit einer Verbrennung dritten Grades. Und gemäss so mancher Bilder, die ich auf Youtube gesehen habe, scheinen Kalt-Verbrennungen zweiten bis dritten Grades mit einer Kältemischung, die zu lange auf der Haut verbleibt, problemlos machbar zu sein!

Wozu kalte Sachen weh tun

Der menschliche Körper schützt sich vor Kalt- ebenso wie vor Heiss-Verbrennungen: Die Haut ist mit Schmerz-Rezeptoren ausgerüstet, die bei Hitze- und Kältereizen schmerzhaften Grossalarm auslösen und dafür sorgen, dass wir uns reflexartig von der Hitze- oder Kältequelle entfernen, bevor es zum Schlimmsten kommt.

Normalerweise jedenfalls. Wer sich an der “ice- and salt-challenge” beteiligt, bemüht sich darum, genau diesen Schutzreflex zu unterdrücken. Je “erfolgreicher” man darin ist, desto gefährlicher werden die Verletzungen, die daraus resultieren können!

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Ich rate daher dringend vom Nachmachen ab!

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Wie ihr trotzdem mit der Gefrierpunktserniedrigung experimentieren könnt

Anstatt ein Eis-Kochsalz-Gemisch auf eure Haut zu bringen, könnt ihr Eiswürfel oder Schnee und Salz ebenso gut in einem Behälter (am besten aus Kunststoff oder Edelstahl – Glas und Keramik können bei schneller Temperatur-Änderungen schonmal zerspringen!) miteinander mischen und die Temperaturabsenkung mit einem Thermometer messen.

Dabei könnt ihr gleich eure eigene Challenge veranstalten: Wer erreicht mit seinem Eis-Kochsalz-Gemisch die niedrigste Temperatur?

Wenn ihr unbedingt selbst fühlen möchtet, wie kalt das Gemisch wird, dann nehmt die Finger gleich wieder weg, sobald es euch unangenehm wird (das ist in der Regel innerhalb von Sekunden der Fall)!

Chemiker nutzen solche “Kältemischungen” aus Eis und Kochsalz übrigens gerne im Labor, um Reaktionsgefässe ohne aufwändige Elektrogeräte (ausser der Eiswürfelmaschine bzw. dem Tiefkühlfach) wirksam zu kühlen: So können Reaktionen, bei denen sehr viel Energie frei wird, im Zaum gehalten oder gasförmige Stoffe im Gefäss verflüssigt werden.

Seid ihr auch schon mit der “ice-salt-challenge” in Berührung gekommen oder habt gar daran teilgenommen? Oder habt ihr schonmal eine Kältemischung zum Kühlen verwendet?

Eis und heiss: Erforsche die Schmelzwärme

Der Winter ist die perfekte Zeit für Experimente mit Eis und Schnee. Ein ganz einfaches habe ich heute für euch – Aber Achtung! Es besteht die Gefahr, dass es das ein oder andere Weltbild erschüttert!

Wenn man etwas in einen Topf füllt und das Ganze auf dem Herd erhitzt, wird es stetig wärmer. Klar. Wärme ist schliesslich eine Form von Energie, die von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden kann, und dabei nicht verloren gehen darf….Wirklich? Habt ihr schon einmal versucht, Eiswasser zu erwärmen?

 

Ihr braucht dazu

  • einen Herd
  • einen kleinen Kochtopf (der Topf auf dem Artikelbild ist zu gross bzw. enthält zu wenig Eis!)
  • Eis oder Schnee von draussen oder Eiswürfel aus dem Tiefkühlfach (ihr solltet den Topf gut damit füllen können)
  • kaltes Leitungswasser
  • einen Kochlöffel zum Rühren
  • ein Thermometer mit einem Anzeigebereich mindestens von -10°C bis +50°C, besser +100°C
  • etwas zum Schreiben (z.B. Tafel oder Notizblock)
  • ggfs. eine Uhr

 

Wie ihr das Experiment durchführt

  • Füllt Eis oder Schnee in den Topf und gebt ein wenig kaltes Wasser dazu. Der Boden des Topfes sollte mindestens 1cm hoch mit Wasser bedeckt sein (das Thermometer muss eintauchen können).
  • Messt sofort die Temperatur des Eiswassers und notiert sie
  • Stellt den Topf mit dem Eiswasser auf den Herd und heizt langsam ein. Rührt dabei laufend um.
  • Behaltet das Thermometer dabei im Wasser. Beobachtet während des Rührens die Anzeige. Ihr könnt in regelmässigen Zeitabständen die Temperatur notieren.

 

Was ihr beobachten könnt

  • Die Temperatur steigt von negativen Werten bis auf 0°C, zunächst aber nicht nennenswert darüber hinaus!
  • Das Eis schmilzt langsam, sobald eine Temperatur von 0°C erreicht ist.
  • Erst nachdem alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des Wassers merklich an.
Nach dem Schmelzen steigt die Temperatur schnell an.

Erst nachdem das Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur schnell an. Damit dieses Phänomen deutlich messbar wird, solltet ihr den anfangs gut mit Eis und mit wenig Wasser gefüllten Topf langsam erwärmen!

Was passiert da?

Die Energie in Form von Wärme, die von der Herdplatte ausgeht, scheint zu verschwinden, anstatt in den Topf und seinen Inhalt über zu gehen! Laut dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist aber genau das – das Auftauchen oder Verschwinden von Energie aus bzw. in dem Nichts – verboten!

Aber keine Sorge – ich habe die Physik nicht aus den Angeln gehoben. Der Vorgang des Schmelzens als solcher erfordert Energie, die während des Schmelzvorgangs in dem verflüssigten Stoff “gespeichert” wird. Was Energie eigentlich ist und in welcher Weise sie umgewandelt und weitergegeben werden kann, hat sie uns in diesem Artikel übrigens selbst verraten.

Warum nun ein Schmelzvorgang Energie erfordert, und in welcher Weise sie in geschmolzenen Stoffen Eingang findet, erkläre ich anlässlich meines persönlichen AHA-Erlebnisses mit diesem Experiment hier genauer. Kurzum: Wärme ist eigentlich nichts anderes als Bewegung – und alle Stoffe bestehen aus mehr oder minder bewegten kleinen Teilchen. Beim Schmelzen gewinnen diese Teilchen ein neues “Level” der Bewegung, das wir nicht als Wärme wahrnehmen – sondern als veränderte Beweglichkeit des ganzen Stoffes: Was vorher fest und greifbar war, ist nach dem Schmelzen flüssig und rinnt uns durch die Finger!

 

Wie ihr noch weiter forschen könnt

Die Schmelzwärme lässt sich wieder freisetzen

Natürlich könnt ihr die in Beweglichkeit verwandelte Energie wieder zurück verwandeln. Stellt einen Behälter mit dem eben geschmolzenen Wasser einfach ins Tiefkühlfach – oder, wenn es draussen friert, auf die Terrasse oder den Balkon. Mit der Zeit wird das Wasser wieder erstarren, und die zum Schmelzen aufgewandte Energie geht dabei in Form von Wärme in die Umgebung über. Auf dem Balkon oder der Terrasse verliert sich diese Wärme schnell.

Wenn ihr aber einen freistehenden Tiefkühlschrank verwendet, fühlt einmal an dessen Rückseite. Die ist ganz warm! Sollte sie auch – der Tiefkühlschrank ist schliesslich eine Maschine, die ihrem Innenraum Wärme entzieht – auch die Schmelzwärme aus den Dingen, die wir darin “einfrieren”. Und laut den Gesetzen der Thermodynamik muss diese Wärme irgendwo hin  – vorzugsweise nach draussen. Genau da befördert die Tiefkühlschrank die Energie aus seinem Inhalt über verschiedene Stationen und Umwandlungen hin.

Verdampfungswärme: Das Gleiche “in Grün”

Wenn ihr ein Thermometer habt, das auch bei über 100°C noch funktioniert, könnt ihr das Experiment auf dem Herd einfach weiter laufen lassen. Nach dem Schmelzen der Eiswürfel wird die Temperatur des Wassers stetig ansteigen – bis sie rund 100°C erreicht. Das Wasser wird sieden und die Temperatur wird wieder weitgehend gleich bleiben – bis das Wasser vollständig verdampf ist. Erst der Wasserdampf kann theoretisch eine Temperatur über 100°C erreichen.

Auch das Verdampfen – der Vorgang, bei welchem eine Flüssigkeit zu einem Gas wird, verleiht dem Stoff ein neues Beweglichkeits-Level, das zu erreichen Energie erfordert.

Diesen Umstand habt ihr sicher schon einmal am eigenen Leib erlebt: Wenn ihr aus der warmen Dusche oder Badewanne steigt, verlangt es euch sicher ganz schnell nach einem Handtuch. Das warme, flüssige Wasser auf eurer Haut neigt nämlich dazu, recht rasch zu verdunsten – d.h. vor Erreichen des Siedepunkts zu Wasserdampf zu werden. Die dazu nötige Verdampfungswärme bezieht das Wasser dabei aus seiner Umgebung – und bedient sich dabei fleissig an eurer Körperwärme. Der Körper quittiert das dementsprechend ungehalten: Er signalisiert “es ist kalt!” – und ihr friert im eigentlich warmen Badezimmer!

Wenn es im Sommer richtig heiss ist, nutze ich diesen Effekt übrigens gerne aus: Ich tränke einen Sonnenhut aus Stoff mit Wasser – das nicht unbedingt kalt sein muss – und setze ihn triefnass auf. Sonne und Umgebungswärme lassen das Wasser im Hut rasch verdunsten, wobei es einen guten Anteil der nötigen Verdampfungswärme aus meinem Kopf bezieht – der so überschüssige Körperwärme einfach los wird. So bewahre ich auch bei Hitze buchstäblich “einen kühlen Kopf” – zumindest so lange, bis alles Wasser aus dem Hut verdunstet ist.

Habt ihr schon mit Schmelz- oder Verdampfungswärme experimentiert? Wenn nicht, probiert es unbedingt aus. Ich wünsche euch viel Spass dabei!