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Experiment: Warum ist der Himmel blau?

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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?

Ausflugstipp : Chemie und Co im Zoo

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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!

Wie funktionieren Luftschlangen? Fasnacht und Karneval in Keinsteins Kiste

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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 : Harry Potter-Zauber dank Oberflächenspannung

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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!

Experiment : Wasser und seine Dichteanomalie – Eis wächst!

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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!

Experiment zum Valentinstag : Was Herzen schmelzen lässt

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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!

Die Challenge mit der Kältemischung : Warum tun Eis und Salz auf der Haut so weh?

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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 – Schmelzwärme im Experiment

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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!

DIY – Spektroskop für Licht-Forscher im Advent – Blogventskalender Türchen 8

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DIY Spektroskop im Advent

Dieser Beitrag füllt das 8.Türchen von Tabeas wunderbarem Blogventskalender auf habutschu.com. Jeden Tag findet ihr dort eine neue Überraschung für einen spannenden und stimmungsvollen Advent!

Türchen 8 im Blogventskalender!

Advent, Advent, ein Lichtlein brennt…das ist die Gelegenheit, sich die Wartezeit aufs Christkind zu vertreiben und ein Geheimnis des Lichts zu erforschen: So baut ihr euer eigenes Spektroskop – mit ein paar Kleinigkeiten aus eurem Alltag!

Die meisten Lichtquellen im Alltag erscheinen uns weiss oder zumindest gelblich weiss. Dazu zählen auch die vielen Kerzenflammen, die sich in der Advents- und Weihnachtszeit Räume und Gemüt erhellen. Nun ist Weiss eigentlich gar keine Farbe, sondern ein Gemisch aus vielen Farben, das unsere Augen als weiss wahrnehmen. Und eine Farbe ist unsere Wahrnehmung der Wellenlänge der jeweiligen Lichtwelle.

Wie farbiges Licht entsteht, und was Atome mit den Farben in der Welt zu schaffen haben, erfahrt ihr in meinem Beitrag zu “Farben, Licht und Glanz“.

Der Umstand, dass Licht aus Wellen besteht und verschiedenfarbiges Licht verschiedene Wellenlängen hat, erlaubt es euch, das Wellengemisch in weissem Licht gemäss den Brechungsgesetzen der Physik nach Farben zu “sortieren”. Dazu könnt ihr entweder ein Prisma verwenden – einen geometrischen Körper aus Glas oder Kristall – oder eine CD (Compact Disc). Denn die unsichtbar feinen Rillen, in welchen die Daten auf der Scheibe aufgereiht und abgelesen werden, brechen das Licht nach den gleichen Gesetzen wie ein Prisma. Bestimmt sind euch die regenbogenfarbigen Muster auf CDs schon aufgefallen.

Tatsächlich genügt es schon, eine CD schräg ins Licht zu halten, um einen bunten Regenbogen – das Spektrum des Lichtes – zu sehen. Wenn ihr darüber hinaus die feinen Unterschiede zwischen verschiedenen Lichtquellen beobachten möchtet, müsst ihr das Licht, welches auf die CD fällt, auf einen engen Raum begrenzen. Das geht am einfachsten, indem man das Licht durch einen engen Spalt in eine ansonsten dunkle Kammer mit einer CD fallen lässt. Und genau solch eine Kammer könnt ihr euch ganz einfach bauen!

Ihr braucht dazu

  • Eine leere Keksschachtel o.Ä
  • Eine alte CD oder einen CD-Rohling (keine DVD*!)
  • Ein Cuttermesser oder eine spitze Schere
  • Ein Stück Pappe zum Unterlegen
  • Klebeband
  • Bleistift und Winkelmesser
  • Zur Verschönerung: etwas Geschenkpapier oder ähnliches

Das braucht ihr für das DIY - Spektroskop

*Eine DVD unterscheidet sich von einer CD darin, dass in der DVD mehrere Schichten mit Datenrillen übereinander liegen. So wird das Licht, das auf eine DVD fällt, auch an mehreren Schichten gebrochen. Ihr würdet deshalb mit einem DVD-Spektrometer quasi “doppelt sehen”. Funktioniert natürlich auch, kann aber stören, wenn es um die Feinheiten geht.

Wie ihr das Spektroskop baut

  • Öffnet die Keksschachtel an beiden kurzen Enden vorsichtig, sodass ihr sie flach auf den Tisch legen könnt.

Keksschachtel flach gefaltet

  • Markiert auf beiden langen, schmalen Seiten auf gleicher Höhe einen Winkel von 60°, indem ihr die beiden Schenkel über die breite Seite hinweg miteinander verbindet.
So zeichnet ihr den ersten Winkel ein!

So zeichnet ihr den ersten Winkel von 60°.

So zeichnet ihr die Verbindungslinie!

Die Verbindungslinie beginnt am oberen Schenkel des Winkels: Die 0-Linie des Geodreiecks liegt auf dem Falz der Schachtel!

So zeichnet ihr den zweiten Winkel ein!

Klappt die Schachtel um wie auf dem Bild. Der schräge Schenkel des zweiten Winkels berührt ebenfalls die Verbindungslinie. So liegen sich beide Winkel genau gegenüber, und ihr könnt später die CD hineinschieben!

  • Legt die Pappe zwischen Ober- und Unterseite der Schachtel und schneidet entlang der durchgezogenen gerade schwarzen Linien (NICHT die Unterseite der Schachtel mit einschneiden!). Entfernt das auf der breiten Seite ausgeschnittene Rechteck, sodass ein Loch zum Hineinschauen bleibt.
Das rechteckige Okular wird ausgeschnitten!

Das geschlossene Rechteck auf der breiten Seite wird ausgeschnitten. Dort könnt ihr später in das Spektroskop hinein schauen!

  • Schneidet einen waagerechten Schlitz in die Verschlusslasche am anderen Ende der Schachtel. Für einen Schlitz von 1mm Breite macht zwei parallele Schlitze und trenn das Stück Pappe dazwischen vorsichtig heraus. Für einen schmaleren Schlitz klebt einen Streifen Klebeband über den breiten Schlitz und ritzt das Band über dem Schlitz einmal ein.
Schmaler Schlitz mit Klebeband

Ein breiterer Schlitz kann mit Klebeband überklebt und anschliessend eingeritzt werden. So entsteht ein sehr schmaler Spalt, der euch ein detailreiches Spektrum beschert!

  • Faltet die Schachtel wieder auf und klebt die beiden Enden sorgfältig wieder zusammen (der Schlitz muss frei bleiben!).

Keksschachtel mit Vorzeichnung und fertiges Spektroskop

  • Schiebt die CD in den 60° geneigten Spalt (Die “Datenseite” zeigt zum Schlitz!) und fixiert sie mit Klebeband. Achtet darauf, etwaige Ritzen sorgfältig zuzukleben, damit kein Streulicht hindurchscheinen kann. Klebt dann das Loch in der Mitte und die spiegelnde Fläche in der Nähe des Sichtlochs ab.

CD mit Klebeband fixiert

  • Wenn ihr das Spektroskop verschönern möchtet, hüllt die Keksschachtel zum Schluss in Geschenkpapier (auch hier muss der Schlitz frei bleiben!).

Das Spektroskop in weihnachtlichem Kleid

Wie ihr das Spektroskop benutzt.

Richtet den Schlitz auf eine Lichtquelle. Schliesst ein Auge und bringt das andere seitlich nah an das Sichtloch. Oder ihr schaut mit beiden Augen über das CD-Ende hinweg in das Sichtloch. Bewegt das Spektrometer ggfs. vorsichtig, bis das Licht durch den Schlitz auf die CD fällt. Ein dunkles Tuch über eurem Kopf und der Spektrometer-Dose kann dabei helfen, Streulicht auszusperren.

Spektroskop im Einsatz

Ein wenig höher als hier müsste ich es halten, damit das Licht der Kerzenflamme direkt durch den Schlitz fällt!

Sobald ihr die richtige Position gefunden habt, seht ihr Regenbogenfarben auf der schrägen CD unter dem Sichtloch: Das weisse Licht besteht aus vielen verschiedenen Farben, die alle in unterschiedlichem Winkel gebrochen werden! Alle Farben zusammen ergeben das Spektrum des Lichtes.

Wenn ihr Fotos machen möchtet, stellt das Spektroskop so ab, dass der Schlitz sich auf Höhe eurer Lichtquelle befindet. Richtet Licht und Gerät so aus, dass ihr des Spektrum im Guckloch sehen könnt.

Spektroskop in Aktion - und die Hände sind zum Fotografieren frei!

Das Spektroskop in Position: So könnt ihr das Spektrum eines Teelichts beobachten und habt die Hände zum Fotografieren frei!

Platziert dann das Objektiv eurer Kamera direkt auf dem Guckloch (ein Makro-Objektiv oder -modus ist dabei von Vorteil!). Stellt das Bild so gut wie möglich scharf und haltet beim Auslösen still. Wenn ihr ein Stativ und einen Fernauslöser verwenden möchtet, könnt ihr das Spektrometer auch auf die schmale Kante stellen, sodass das Sichtloch nach vorne zum Objektiv zeigt.

Welche Lichtspektren ihr sehen könnt

Das Spektrum einer Kerzenflamme ist durchgehend von blauviolett bis tiefrot: Die Flamme strahlt gleichmässig Licht in allen Farben ab. Wenn ihr Kochsalz in die Flamme bringt, kann im orangegelben Bereich eine hellere Linie sichtbar werden: Natrium-Atome strahlen Licht mit zwei dicht benachbarten Wellenlängen im gelben Bereich ab!

Wenn es auf eurer Strasse gelbe Strassenlaternen – Natrium-Dampflampen – gibt, könnt ihr auch in ihrem Licht die gelbe(n) Natrium-Linie(n) ausmachen!

Wenn ihr das Spektrum der Sonne betrachtet (Achtung! Beim Ausrichten NIE direkt in die Sonne schauen!), erscheinen feine, dunkle Linien im Regenbogen: Die Sonnen-“Atmosphäre” enthält verschiedene Atome, vor allem Wasserstoff und etwas Helium, die Licht mit bestimmten Wellenlängen schlucken, sodass es nicht hier auf der Erde ankommt. Deshalb können Astronomen mit Hilfe von Spektrometern herausfinden, welche Atome in Sternen enthalten sind! Mehr dazu erzähle ich in meiner Weihnachtsgeschichte um das Spektrum des Weihnachtssterns.

Das Spektrum einer Leuchtstoffröhre besteht aus mehreren dicken, voneinander getrennten farbigen Linien. In Leuchtstoffröhren wird mit Hilfe von Quecksilberdampf UV-Licht erzeugt, dass Leuchtstoffe auf der Innenwand der Röhre zur Fluoreszenz bewegt: Das UV-Licht hebt Elektronen auf bestimmte höhere Energieniveaus, von wo sie in wohldefinierten Schritten zurückkehren und dabei Licht mit ganz bestimmten Wellenlängen, die wir im Spektrum sehen, abstrahlen.

Welche Spektren findet ihr noch? Weitere Anregungen und tolle Fotos findet ihr auf dieser (englischsprachigen) Seite!

Von Bernoulli zum Hubschrauber: Wie Helikopter fliegen können

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Wie fliegen Helikopter?

Gestern habe ich ab der Funktion eines Helikopters gestaunt. Fliegt der wirklich nur von der Kraft der Propeller?

Die ist die Leserfrage der Woche. Und ganz kurz vorweg genommen: Die Antwort lautet “Ja”.

In der Tat ist es ein atemberaubendes Spektakel, wenn sich solch eine unförmige Maschine sich unter grossen Getöse wie von Zauberhand in die Lüfte erhebt. Und spätestens, wenn die Schweizer Armee am Züri-Fest ihre gewaltigen “Super-Pumas” zur Flugshow entsendet, wird diese Frage vielen Zuschauern auf der Zunge liegen: Wie fliegt so ein Heli bzw. Hubi (vom in Deutschland gebräuchlicheren “Hubschrauber”)?

Seit wann gibt es Helikopter?

Das physikalische Phänomen, das Hubschrauber zum Fliegen bringt, ist schon seit Jahrhunderten bekannt. So hat schon Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert seine Idee zu einer “Flugschraube” skizziert. Diese Bezeichnung kommt der Bedeutung des Wortes “Helikopter” übrigens näher als “Hubschrauber”: Es setzt sich nämlich aus den griechischen Wörtern “helix” für Schraube und “pteron” für Flügel zusammen. Ein “heliko-pteron” wäre damit so etwas wie ein Schraubflügler – oder eben eine Flugschraube.

Während die Jahrhunderte vergingen, haben sich viele Erfinder an der Idee der Flugschrauben versucht – darunter mit Jakob Degen übrigens einer, der mit mir den bürgerlichen Namen teilt. Da eine Schraube zum Fliegen jedoch einen leistungsfähigen Antrieb braucht, wurden Helikopter erst im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen des Verbrennungsmotors wirklich nutzbar. Den entscheidenden Kick erfuhr die Hubschrauber-Forschung wie so oft durch das Militär während der beiden Weltkriege. So kamen bereits zum Ende des zweiten Weltkriegs die ersten Militär-Helikopter in Serie zum Einsatz.

Wie fliegt ein Hubschrauber?

Die meisten zivilen Helikopter sind heutzutage einheitlich aufgebaut: Über dem Rumpf befindet sich ein grosser, mehrflügeliger Rotor, der in waagerechter Ausrichtung um eine senkrechte Achse kreist. Dazu kommt ein “Schwanz”, der nach hinten aus dem Rumpf ragt und meist mit einem kleineren Heck-Rotor bestückt ist.

Für das Fliegen ist der grosse Haupt-Rotor zuständig. Der besteht nämlich aus mehreren Rotor-Blättern, die im Querschnitt – also wenn man sie kurzerhand absägen würde – etwa so aussehen:

Querschnitt durch ein Rotorblatt

By Dhaluza (http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PSU-90-125.PNG) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Die Skizze erinnert nicht umsonst an eine Flugzeug-Tragfläche. Flugzeuge und Hubschrauber nutzen nämlich das gleiche physikalische Phänomen zum Fliegen: Der Bernoulli-Effekt.

Wie Flugzeuge fliegen

Ein Flugzeug wird durch Propeller oder Düsen-Triebwerke geradeaus bewegt – und die Tragflächen bewegen sich mit dem stumpfen Ende voran mit. Dabei durchschneiden sie die Luft, welche als “Fahrtwind” oberhalb und unterhalb der Tragfläche entlangströmt. Durch die Wölbung ist der Weg obenherum allerdings länger als untenherum. Dabei bewegen sich alle Teile der Tragfläche (und des Flugzeugs) mit derselben Geschwindigkeit – legen also in einer bestimmten Zeit dieselbe Strecke zurück. Die “Hälften” der Luft, die von der vorderen “Kante” der Tragfläche durchschnitten wird, müssen so an der hinteren Kante nach dem gleichen Zeitabschnitt wieder zusammenfinden. Das bedeutet: Die Luft muss obenherum schneller strömen als untenherum, um den Umweg um die Wölbung zu schaffen.

Die schneller strömende Luft führt zu einem Überdruck unterhalb der Tragfläche im Verhältnis zum Druck darüber (bzw. zu einem Unterdruck oben im Verhältnis zum Druck unten). Wenn dieser Überdruck bzw. der “Auftrieb” durch eine ausreichend schnelle Strömung stark genug wird, um die Schwerkraft zu überwinden, drückt er mit den Tragflächen das gesamte Flugzeug nach oben – es fliegt!

Und beim Heli dreht sich alles im Kreis

Die Rotorblätter eines Hubschraubers funktionieren genauso: Der Druckunterschied, welcher entsteht, wenn die Rotorblätter durch die Luft schneiden, hebt den Rotor mitsamt dem daran hängenden Helikopter empor. Der entscheidende Unterschied zum Flugzeug besteht darin, dass die Rotorblätter sich im Kreis bewegen. Dadurch können sie einen Auftrieb erzeugen, ohne dass der Hubschrauber sich vorwärts bewegen muss. Er kann deshalb senkrecht starten und landen und – wenn es dem Piloten gelingt, die Schwerkraft durch den Auftrieb genau auszugleichen – sogar in der Luft “stehen”!

Da man aber letztlich auch mit dem Helikopter von A nach B gelangen möchte, hat der Pilot die Möglichkeit, seine Rotorblätter so zu kippen, dass der Rotor das Fluggerät nicht senkrecht, sondern leicht schräg nach oben hebt. So kommt zur Bewegung durch den Auftrieb nach oben ein nach vorn gerichteter Anteil – also ein Vortrieb. Je nach Einstellung der Rotorblätter kann dieser Anteil auch nach links, rechts oder hinten gerichtet sein – und der Heli fliegt seitswärts oder rückwärts!

Wozu der Heckrotor dient

Doch dieser super-manövrierfähige Antrieb hat einen Haken: Wenn man einen Kreisel bzw. Rotor auf einen frei schwebenden Gegenstand montiert, versetzt der sich drehende Kreisel unweigerlich auch den Gegenstand in eine Drehbewegung. In einer einfachen Kanzel mit Hubschrauber-Rotor würde dem Piloten deshalb ganz schnell übel und er hätte keine Chance, die Kontrolle über sein Gefährt zu behalten.

Deshalb haben die meisten Helikopter einen Ausleger am Rumpf, dessen Ende mit einem kleineren, senkrecht ausgerichteten Rotor ausgestattet ist. Dieser erzeugt nach dem gleichen Prinzip der Hauptrotor einen Druckunterschied, der zur Bewegung führt – seiner senkrechten Ausrichtung wegen aber nicht aufwärts, sondern vorwärts – und zwar der Kreisel-Bewegung des Rumpfes genau entgegengesetzt! So verhindert der Heckrotor, dass der Hauptrotor den ganzen Rumpf in Drehung versetzt.

Sehr eindrücklich wird das in vielen Actionfilmen dargestellt: Wenn dort einem Hubschrauber der Heckrotor weggeschossen wird, fängt der Rumpf unter dem unbeschädigten Hauptrotor an zu kreiseln und das Ganze stürzt hollywoodmässig spektakulär in die nächste Haus- oder Bergwand.

Der Heckrotor ist übrigens der lauteste Teil eines Helikopters, weshalb auch andere Lösungen für das Kreiselproblem gefunden und umgesetzt wurden.

Dazu gehören zum Beispiel zwei Hauptrotoren an der selben Antriebsachse, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen. So hindern sich die beiden Rotoren gegenseit daran, den Rumpf in Drehung zu versetzen. Eine andere Lösung sind zwei oder mehr räumlich voneinander getrennte Rotoren mit einander ausgleichenden Drehrichtungen.

Flugschrauber im Kleinformat

Eine Hubschrauber-Variante aus den 1920er Jahren, die sich während des zweiten Weltkriegs ihrer komplizierten Bauweise wegen nicht durchsetzen konnte, erlebt heute im Kleinformat ein regelrechtes Revival: Der Quadrocopter. Dieses Fluggerät besitzt vier Rotoren an den vier “Ecken” des Vehikels. Je zwei und zwei drehen sich in entgegengesetzter Richtung und halten das Fluggerät nach Wahl sehr ruhig oder äusserst manövrierfähig in der Luft.

Heute begegnet einem dieses Fluggerät in der Regel unbemannt – als Drohne, wie man sie mittlerweile in jedem Kaufhaus erwerben kann, um den Helikopterflug im Kleinformat zu beobachten und selbst auszuprobieren.

Und seit ihr schonmal mit einem richtigen Helikopter geflogen? Oder habt ihr eine Drohne selbst gesteuert?