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Experiment mit Wasser : Die Münzwippe

Endlich hat es gewittert und ein wenig abgekühlt! Dazu war heute vormittag noch Regen angesagt. Zeit für ein kleines Experiment für zwischendurch, das ihr sowohl draussen als auch drinnen machen könnt. Dabei geht es um die Superkräfte von Wasser ….oder doch nicht?

Unglaubliche Kräfte schlummern nämlich nicht nur in Wasser, sondern auch in der Luft! – Und diese Kräfte könnt ihr mit ganz einfachen Mitteln selbst erforschen:

Ihr braucht dazu

  • ein Trinkglas
  • einen glatten Pappstreifen, aus einem Tetrapack zugeschnitten
  • kleine Münzen (z.B. Fünfräppler, aber Eurocents tun es genauso)
  • Wasser
Für das Experiment braucht ihr: Trinkglas, Wasser, Pappstreifen aus Tetrapak, kleine Münzen

Die Idee habe ich von “Schule und Familie“. Wie dort beschrieben mit einem einfachen Pappstreifen funktioniert das Experiment aber nicht so recht: Die Pappe saugt sich im Nu mit Wasser voll, wird weich und krumm, sodass die Münzen vorzeitig abrutschen. Die “Innen-“seite eines Tetrapacks ist jedoch wasserdicht beschichtet (das Getränk soll ja im Karton bleiben). Da wird nichts krumm und die Münzwippe funktioniert wunderbar.

So geht’s

  • Füllt das Glas randvoll – und ein Bisschen darüber hinaus – mit Wasser. Das Wasser soll sich leicht über den Glasrand aufwölben. Eine saubere Tropfpipette (zum Beispiel der Deckel einer Nasentropfen-Flasche, gibt es auch einzeln für kleines Geld in der Drogerie!) kann dabei helfen, die letzten Tropfen vorsichtig einzufüllen.
  • Legt den Tetra-Pappstreifen mit der “Innenseite” nach unten und mit einem Ende so auf das Glas, dass er die Öffnung ganz verschliesst. Vielleicht merkt ihr schon, wie er sich festsaugt.
Alles bereit: Ein Ende der Pappe liegt mit der Beschichtung nach unten auf dem Glas.
Alles bereit: So liegt die Pappe richtig auf dem Glas!
  • Stapelt nun vorsichtig eine Münze nach der anderen auf das überhängende Ende. Der Streifen wird trotz Übergewicht eine ganze Weile auf dem Glas liegen bleiben! Ich habe fünf Fünfräppler geschafft, bevor der Streifen sich beim sechsten schliesslich doch gelöst hat. Wer schafft mehr?
Die Münzwippe in Aktion: Das Gewicht von fünf Fünfräpplern kann den Pappstreifen nicht vom Glas lösen!
Fünf “Füüferli” und es hält immernoch…

Was passiert da?

Superkraft von Wasser : Adhäsion

Das zunehmende Gewicht der Münzen auf dem überhängenden Ende lässt den Pappstreifen wie auf dem Glas festgeklebt erscheinen. Wie festgeklebt? Dabei handelt es sich bei Weitem nicht nur um einen Vergleich!

Wassermoleküle werden tatsächlich von vielen anderen Stoffen angezogen und ziehen selbst wiederum diese Stoffe an. Diese Erscheinung nennen die Physiker “Adhäsion” – und die anziehenden Kräfte “Adhäsionskräfte”. Es gibt verschiedene Theorien, wie diese Adhäsionskräfte zustande kommen. Aber die meisten davon haben gemeinsam, dass die Teilchen von Stoffen sich genau dann besonders anziehend finden, wenn bestimmte ihrer Eigenschaften sich ähneln.

Eine dieser Eigenschaften ist die Ausstattung von Teilchen mit elektrischer Ladung. Wenn ihr schon einmal den Zaubertrick mit dem krummen Wasserstrahl ausprobiert habt, wisst ihr, dass Wassermoleküle relativ starke Ladungen tragen (für die etwas fortgeschritteneren Forscher unter euch: Physiker nennen Wasser deshalb “polar”). So ziehen sie nicht nur einander stark an, sondern werden auch von anderen Stoffen mit elektrischen Ladungen angezogen.

Gemäss dieser “Polarisationstheorie” wäre also davon auszugehen, dass auch die Innenfläche des Getränkekartons elektrische Ladungen trägt bzw. polare Bestandteile hat, die Wassermoleküle anziehen und so zum Haftenbleiben bringen.

Aber eigentlich ist es doch gar nicht wünschenswert, dass das Getränk im Tetrapack kleben bleibt! Deshalb werden die Tetrapack-Entwickler doch sicher vermieden haben, ein all zu adhäsionsfreudiges Material für ihre Beschichtung zu verwenden. Und trotzdem klappt das Experiment…

Superkraft von Luft : Luftdruck

Eine zweite Erklärung für den “klebenden” Pappstreifen ist, dass die Pappe weniger am Wasser klebt, als dass sie durch die Luft darauf gedrückt wird. Die Erdatmosphäre, die aus unzähligen frei umherwuselnden Teilchen besteht, drückt nämlich von allen Seiten auf jedes Hindernis, das ihr in die Quere kommt.

Die wuselnden Teilchen trommeln laufend auf jede von Luft umgebene Oberfläche ein – und wir nehmen dieses Dauer-Trommelfeuer mit unseren groben Sinnen als Druck wahr. Der Luftdruck am Erdboden beträgt etwa 1 bar (oder 1000 Millibar), was eine beträchtliche Menge ist. Schliesslich drückt ja eine gut 30 Kilometer hohe Luftsäule auf die wuselnden Teilchen in eurer Nähe und drängt sie so eng zusammen, dass sie entsprechend dicht und heftig auf alle Oberflächen trommeln.

So auch auf den Pappstreifen, der auf dem Glas liegt. Dieser Luftdruck ist so stark, dass er – allenfalls gemeinsam mit einer ziehenden Adhäsionskraft – die Münzen auf dem freien Streifenende aufwiegt: Der Luftdruck (und die Adhäsion) drücken das Glasende des Pappstreifens zunächst stärker nach unten als das Gewicht der Münzen das freie Ende. Erst wenn das Gewicht der Münzen zu gross wird, wippt das freie Ende des Streifens nach unten, während das Glas-Ende nach oben schnellt.

Da diese “Wippe” nicht am Angelpunkt auf dem Glasrand befestigt ist, fällt der Aufbau damit sofort zusammen.

Münzwippe überlastet: Der Pappstreifen ist vom Glasrand gekippt.
…aber die sechste Münze war zu viel: Der Streifen wippt in Richtung der Münzen und stürzt vom Glasrand.

Bonus-Versuch für draussen

Ihr wollt sehen, wie stark der Luftdruck sein kann? Dann füllt wie oben beschrieben das Glas bis zum Rand mit Wasser und legt den Pappstreifen darauf, sodass die Öffnung vollständig bedeckt ist. Haltet den Streifen fest und dreht das Glas mit der Öffnung nach unten. Dann lasst den Pappstreifen los (das Glas natürlich nicht!). Wenn alles gutgeht, sorgt der Luftdruck allein dafür, dass die Pappe auf der Öffnung und das Wasser im Glas bleibt!

Weil dieses Experiment aber nicht immer auf Anhieb funktioniert empfehle ich euch dringend, das draussen oder im Badezimmer zu probieren! Da richtet eine mögliche Überschwemmung nämlich keinen grossen Schaden an.

Entsorgung

Die ist bei diesem Versuch denkbar einfach:

Da ich mit Trinkwasser aus der Leitung und ausschliesslich mit Hilfsmitteln aus der Küche experimentiert habe, trinke ich das Wasser gerade aus, während ich blogge 😉 . Auch sonst könnt ihr das Wasser noch für alles benutzen, wozu man Wasser braucht. Den Tetra-Pappstreifen könnt ihr aufheben, sodass ihr die Experimente jederzeit wieder vorführen und eure Lieblingsmenschen verblüffen könnt.

Nun wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren! Und…kennt ihr vielleicht Gelegenheiten aus eurem Alltag, bei welchen ihr (wirkliche) Adhäsionskräfte beobachten könnt?

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.
  • 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.
  • 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.

    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.


    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?