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Abfluss auf Nord- und Südhalbkugel: Physik oder Fake?

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

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

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

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

 

Was die Drehrichtung des Wassers bestimmen soll: Die Corioliskraft

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

Welche Bewegungen werden abgelenkt?

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

Wie kommt es zu der Ablenkung?

Die Erdumdrehung als Ursache

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

Alle Orte auf der Erde drehen sich gemeinsam

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

Nicht alle Punkte auf der Erdoberfläche drehen sich gleich schnell

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

Vom Abstand zum Kreisumfang

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

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

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

Geschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit

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

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

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

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

Ablenkung eines Balls auf dem Weg von Oslo nach Tunis

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

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

Ein Fussballspiel von Oslo nach Tunis

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

Die Krux mit der Impulserhaltung

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

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

Wie man Bewegungen addiert

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

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

Durch Drehbewegung auf die krumme Bahn

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

Kraft und Beschleunigung: Zwei physikalische Grössen mit Richtung

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

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

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

Die Corioliskraft ist aber durchaus real

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

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

Die Regeln für die Ablenkung durch die Corioliskraft

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

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

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

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

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

Warum die Corioliskraft für das Abfluss-Experiment keine Bedeutung hat

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

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

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

 

Wo ihr die Auswirkung der Corioliskraft wirklich beobachten könnt

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

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

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

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

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

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

Experimente Zauber mit Oberflächenspannung

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

1. Die schwimmende Büroklammer

Du brauchst dazu

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

 Material für Büroklammer vs. Oberflächenspannung

Wie du den Zauber durchführst

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

Was passiert da?

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

Die Oberflächenspannung machts möglich

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

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

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

Die Zauberkraft der Tenside

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

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

Was dein Zauber bewirkt

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

Streichholzmodell: Tenside an der Wasseroberfläche

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

2. Der furchtsame Pfeffer

Du brauchst dazu

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

Material für den Zauber mit Pfeffer

Wie du den Zauber durchführst

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

 

Was passiert da?

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

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

 

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

gefrorenes Wasser : Das Glas wird voller

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

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

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

Ihr braucht dazu

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

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

Wie ihr das Experiment durchführt

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

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

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

Was ihr beobachten könnt

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

Dichteanomalie sichtbar gemacht: Das Wasser ist gewachsen!

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

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Wie kann Wasser wachsen, wenn es friert?

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

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

Wasser verhält sich nicht “ganz normal”

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

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

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

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

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

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

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

Dichte – und warum Teiche stets von oben zufrieren

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

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

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

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

Warum Eis schwimmt

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

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

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

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

Warum Teiche von oben einfrieren

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

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

Wasser im Teich nach Dichte sortiert

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

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

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

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

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

Wasser ist spooky: Ein Zaubertrick für Gross und Klein

Bald ist Halloween: Für viele kleine und grosse Hexen und Zauberer rückt damit ein grosser Tag immer näher. Aber was wäre, wenn ihr im schaurig-schönen Kostüm auch tatsächlich zaubern könntet? Ich habe einen einfachen, aber verblüffenden Zauber für euch, mit dem ihr an eurer Halloween-Party sicher für Aufregung sorgen könnt! Und um Ärger mit dem EZD (dem Eidgenössischen Zauberei-Departement…) zu vermeiden, gibt’s auch eine wasserdichte naturwissenschaftliche Erklärung dazu.

 

Von Harry Potter zum verhexten Wasser

Bestimmt kennst du Harry-Potter – und vielleicht auch seine wilde Begegnung mit einem Drachen in “Harry Potter und der Feuerkelch”. Um eine Aufgabe in einem Wettkampf zu erfüllen, muss Harry diesem Drachen in einer Arena ein Ei entwenden. Um überhaupt eine Chance gegen den wildgewordenen Feuerspeier zu haben, ruft der Jungzauberer  dazu mit einem einfachen Zauber seinen Flugbesen in die Arena. Die Wirkung des Spruchs: Der Besen saust von seinem Lagerplatz ausserhalb der Arena auf den Zauberstab und seinen Besitzer zu.

Diesen Kunstgriff kannst auch du ganz einfach nachmachen – vielleicht nicht mit einem Besen und nicht über eine so grosse Entfernung – aber mit einem einfachen Kunststoff-Zauberstab und Wasser. Und schon das wird deine Freunde verblüffen und vielleicht sogar zum Gruseln bringen!

 

Was du dazu brauchst

  • Einen Wasserhahn am Waschbecken oder einem Getränkespender – hauptsache, du kannst einen millimeterdünnen Wasserstrahl daraus fliessen lassen
  • Einen Kunststoff-Zauberstab (ein Spielzeug ist ebenso geeignet wie der Einweg-Plastiklöffel, den ich verwende – aber probiere das Experiment vor der grossen Aufführung aus, denn nicht jeder Kunststoff funktioniert gleich gut!)
  • Ein Kleidungsstück aus echter Wolle – zum Beispiel ein Schal, Wollhandschuhe oder eine Strickjacke. Besonders eindrücklich wirkt das Ganze, wenn das Woll-Stück Teil deines Kostüms ist.

 

Wie du den Zauber vorführst

  1. Öffne den Wasserhahn nur ein wenig, sodass so gerade eben ein stetiger, aber millimeterdünner Wasserstrahl herausläuft.
  2. Reibe deinen Zauberstab kräftig mit dem Kleidungsstück aus Wolle (ein guter Zauberer “beschäftigt” sein Publikum währenddessen anderweitig, zum Beispiel im Gespräch).
  • Führe den Stab vorsichtig in die Nähe des Wasserstrahls und sprich “Accio Wasserstrahl!”. Berühre dabei in keinem Fall das Wasser mit dem Stab!
  • Der zuvor senkrecht fallende Strahl wird sich in Richtung des Stabes krümmen!
dünner Wasserstrahl und verhextes Wasser

Links: Ein dünner Wasserstrahl – Rechts: “Accio Wasserstrahl” – deutliche Krümmung um einen elektrostatisch aufgeladenem Plastik-Löffelstiel!

 

Was dabei passiert

Letzte Woche habe ich ein Experiment gezeigt, das einen Hinweis darauf gibt, wie Wasser und andere Stoffe aufgebaut sind: Wasser besteht, wie andere Stoffe, aus ganz vielen winzig kleinen Teilchen. Die Wasserteilchen haben dabei eine besondere Eigenschaft: Sie sind elektrisch geladen!

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Über elektrisch geladene Teilchen

Elektrisch geladene Teilchen spielen in unserem Alltag eine grosse Rolle. So fliessen solche Teilchen durch Stromkabel, wenn wir das Licht einschalten, und bringen die Lampe zum Leuchten. Diese Teilchen haben meist nur eine Ladung – und die ist positiv (+) oder negativ (-). Dafür, dass solche Teilchen überhaupt strömen, sorgt eine grundlegende physikalische Gesetzmässigkeit: Gleichartige Ladungen stossen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an. So bewegen sich die negativ geladenen “Strom-Teilchen” oder “Elektronen” vom negativ geladenen Minuspol einer Stromquelle weg und zum positiv geladenen Pluspol hin.[/yellow_box]

Wasserteilchen tragen dagegen zwei verschiedene Ladungen: Wie ein Magnet tragen sie an jeder Seite eine! (Da zwei verschiedene Ladungen einander aufheben, merkt man das den winzigen Wasserteilchen mit unseren groben Sinnen normalerweise nicht an.)

Wasserteilchen mit zwei Ladungs-Schwerpunkten

Ein Wasserteilchen trägt zwei elektrische Ladungen: Die negative Seite (-) ist rot, die positive Seite (+) ist blau schattiert.

Das führt dazu, dass die Plus-Seiten der Wasserteilchen die Minus-Seiten anziehen und umgekehrt. Im Wasser ordnen sich die Teilchen daher so, dass Plus-Seiten den Minus-Seiten gegenüber liegen und niemals gleiche Seiten einander zugewandt sind:

Wasserteilchen: Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.

By User Qwerter at Czech wikipedia: Qwerter. Transferred from cs.wikipedia to Commons by sevela.p. Translated to english by by Michal Maňas (User:snek01). Vectorized by Magasjukur2[CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Der Kunststoffstab besteht dagegen zunächst aus ungeladenen Kunststoff-Teilchen. Durch das Reiben an der Wolle wird er jedoch aufgeladen (die Wolle übrigens auch – du kannst vielleicht die darauf folgenden Entladungen in der Wollkleidung knistern hören). Wenn er danach in die Nähe des Wasserstrahls kommt, ordnen sich die Wasserteilchen so, dass ihre dem Stab entgegengesetzt geladene Seite zum Stab weist. Die Anziehungskraft zwischen den verschiedenen Ladungen zieht die Teilchen so aus ihrer Flussrichtung – der Wasserstrahl krümmt sich in Richtung des Stabes!

Damit wünsche ich dir viel Spass beim Zaubern – und erzähl doch mal, wie es funktioniert hat!

Von der verschwundenen Flüssigkeit zum Stoffteilchenmodell

Flüssigkeiten – sie sind “nass”, formlos und machen sich überall hin davon, wenn man sie nicht in einem Glas beisammen hält. Und wenn man ein Glas mit Flüssigkeit füllt, ist es voll….oder?

Dieses einfache Experiment zeigt dir eine echt verblüffende Eigenschaft von Flüssigkeiten – und gibt dir und deinen Kindern Anlass, euch mit einem einfachen Teilchenmodell für den Aufbau der Stoffe zu beschäftigen!

Für dieses Experiment brauchst du

  • rund 50ml Brennsprit (Spiritus, “Alkohol”, Ethanol)
  • rund 150ml Wasser, zum Beispiel aus der Leitung
  • 3 Gefässe mit geeichter Skala mit 10-Milliliter-Teilstrichen, zum Beispiel Standzylinder

oder:

  • 1 durchsichtiges Gefäss für mindestens 50ml Flüssigkeit
  • 1 durchsichtiges Gefäss für mindestens 100ml Flüssigkeit
  • einen wasserfesten Filzschreiber (nicht zu dick!)

 

So führst du das Experiment durch

Vorbereitung:

Miss im ersten Standzylinder genau 50 ml Wasser, im zweiten Standzylinder genau 50 ml Brennsprit ab. Schaue dabei von der Seite auf die Linie des Flüssigkeitsspiegels (die Linie sollte dazu auf Augenhöhe sein – setze oder knie dich hin oder beuge dich entsprechend). Wenn beim Wasser eine doppelte Linie bzw. ein unscharfer Ring zu sehen ist: Richte dessen unteren Rand an der Skala aus!

Oder:

  1. Fülle etwa 50 ml in das kleinere Gefäss mit Wasser und markiere den Flüssigkeitsspiegel an der Seite mit dem Filzstift.
  2. Fülle das Wasser vollständig in das grosse Gefäss um. Dann fülle das kleine Gefäss noch einmal – exakt bis zur Markierung (beachte dazu die Hinweise im oberen Abschnitt!) – und fülle den Inhalt erneut vollständig in das grosse Gefäss.
  3. Nun enthält das grosse Gefäss genau doppelt so viel Wasser wie das kleine Gefäss bis zur Markierung fasst. Markiere nun den Füllstand des grossen Gefässes mit dem Filzstift. Danach giesse das Wasser vollständig aus.

Das eigentliche Experiment:

Fülle die zuvor abgemessenen Flüssigkeiten zusammen in einen Standzylinder, schwenke ihn etwas und warte, bis die Flüssigkeiten zur Ruhe kommen.

Oder:

  1. Fülle das kleine Gefäss bis zur Markierung mit Wasser und giesse es vollständig(!) in das grosse Gefäss um.
  2. Wiederhole Schritt 4 mit Brennsprit.
  3. Nun befinden sich Wasser und Brennsprit zusammen im grossen Gefäss. Schwenke es ein wenig und warte, bis die Flüssigkeiten zur Ruhe kommen.
2 mal Flüssigkeit gibt weniger als das 2-fache Volumen!

Links: Einmal Wasser, einmal Brennsprit bis zur Markierung links am Glas. Rechts: Beide Flüssigkeiten gemeinsam im Glas: Zwei Portionen Wasser wurden zur Markierung links am Glas genutzt, eine Portion Wasser und eine Portion Brennsprit miteinander nehmen ein kleineres Volumen ein!

Was du beobachten kannst

Schaue den Flüssigkeitsspiegel von der Seite (auf Augenhöhe) an. Du wirst den Flüssigkeitsspiegel ein wenig unterhalb des Teilstrichs für 100ml bzw. deiner Markierung für “zwei kleine Gefässe” finden! Mehrere Milliliter Flüssigkeit sind scheinbar nach dem Mischen verschwunden!

Für kleine Mathematiker:

Ihr kennt sicher das kleine 1×1: 2×1 = 2 heisst es da. Das bedeutet: Auch 2x die Füllung des kleinen Gefässes (“1”) geben zusammen eine grosse Füllung (“2”), die zwei kleinen Füllungen gleicht. Sollte sie jedenfalls. Trotzdem ist die grosse Füllung aus dem Gemisch von Wasser und Brennsprit ein wenig kleiner als 2!

 

Wo ist die fehlende Flüssigkeit hin verschwunden? Wurde sie weggehext?

Keine Sorge, da bekäme ich ja Schwierigkeiten mit dem eidgenössischen Zauberei-Departement (hätte ich nur nichts gesagt…). Um das Rätsel der verschwundenen Flüssigkeit zu lösen, musst du dir Wasser und Brennsprit einmal genauer ansehen. Sehr viel genauer.

Auf den ersten Blick sind Wasser und Brennsprit sich zum Verwechseln ähnlich: Beide sind farblos und praktisch gleich flüssig. Brennsprit riecht allerdings ein wenig streng, sauberes Wasser dagegen gar nicht. Ausserdem kann man Brennsprit leicht anzünden, Wasser aber nicht. Noch mehr Unterschiede findet man, wenn man sich die Flüssigkeiten noch näher ansieht.

Stell dir vor, du füllst das kleine Gefäss mit Wasser und giesst die Hälfte davon in ein anderes Gefäss. Die beiden Hälften werden sich und der vorherigen ganzen Menge gleichen. Dann teilst du die Wassermenge noch einmal, und noch einmal, und noch einmal. Bald wirst du kleine Tropfen haben, die immernoch wie Wasser aussehen – und übrigens auch wie Alkohol, der sich genauso in immer kleinere Portionen teilen lässt (wenn du das wirklich ausprobierst: Alkohol-Tropfen werden tatsächlich eine etwas andere Form als Wassertropfen haben – das liegt an ihrer unterschiedlichen Oberflächenspannung, die Andrea von Forschen für Kinder hier erklärt).

Irgendwann würdest du eine Lupe brauchen, um die kleinen Tropfen noch zu sehen, dann ein Mikroskop, dann ein stärkeres Mikroskop… Und schliesslich, beim superstarken Hightech-Mikroskop im Forschungslabor, ist Schluss. Die wirklich winzig-, winzig-, winzigkleinen Wasserportiönchen lassen sich nicht weiter halbieren. Und beim Alkohol ist es das Gleiche.

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Wasser und Alkohol – und auch alle anderen Stoffe – bestehen aus einer riesigen Anzahl total winzigkleiner Teilchen!

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Wenn sich diese Teilchen von einem Gefäss ins anderer giessen lassen, erscheinen sie alle zusammen deinen Sinnen – die zu grob sind, um die winzigkleinen Teilchen einzeln wahrzunehmen – als Flüssigkeit. Halten sie dagegen fest zusammen, siehst und fühlst du sie als festen Gegenstand.

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Das Spannende daran ist, dass jeder Stoff aus einer ihm eigenen Sorte Teilchen besteht: Wasser-Teilchen und Alkohol-Teilchen unterscheiden sich – sie sind zum Beispiel unterschiedlich gross!

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Stell dir vor, du bist selbst sehr, sehr klein, sodass die Wasserteilchen für dich aussehen wie Reiskörner (oder kleine Perlen). Dann könnten Alkohol-Teilchen aussehen wie getrocknete Kichererbsen (oder grössere Perlen). Was passiert, wenn du diese beiden Teilchen-Sorten miteinander mischst, kannst du tatsächlich ausprobieren:

 

Das Experiment im Modell

Trockne die Gefässe vom Versuch mit Wasser und Brennsprit gut ab. Dann fülle wie in der Versuchsanleitung für die Flüssigkeiten beschrieben Reiskörner und Kichererbsen (oder kleine und grosse Perlen) ab und schütte sie im grossen Behälter zusammen. Schüttle den Behälter gründlich (halte die Öffnung zu, damit deine “Teilchen” nicht hinausfliegen und verloren gehen!) und schaue dir den Inhalt genau an.

Die Füllhöhe des Reis-Erbsen-Gemischs im grossen Behälter, wird unterhalb der Markierung liegen. Die Erklärung dafür ist nun offensichtlich: Die kleinen Reiskörner sind in die Zwischenräume zwischen den grösseren Kichererbsen gerutscht.

Modellversuch mit Reis und Kichererbsen

Reiskörner stehen für Wasser-Teilchen, Kichererbsen für Alkohol-Teilchen. Im Gemisch füllen die Reiskörner die Lücken zwischen den Erbsen: Das spart Platz!

Das können die winzigkleinen Wasser- und Alkohol-Teilchen auch! Die kleineren Wasser-Teilchen füllen die Zwischenräume zwischen den grösseren Alkohol-Teilchen! So nehmen beide miteinander gemischt weniger Platz ein als vgoneinander getrennt  – ohne dass wirklich Flüssigkeit verschwindet.

Und wenn du noch einen Beweis dafür möchtest: Wiege die Flüssigkeiten vor und nach dem Mischen – das Gewicht ändert sich beim Mischen nicht!

 

Entsorgung

Brennsprit, auch auf 50% verdünnt, muss als Sonderabfall entsorgt werden! Fülle ihn in einen dicht schliessenden Behälter und bringe ihn zur Sondermüll-Entsorgungsstelle. Du kannst das Alkohol-Wasser-Gemisch ebenso gut für spätere Experimente oder zum Reinigen aufheben. Die Markierungen mit wasserfestem Filzstift lassen sich zum Beispiel damit von den Gläsern wischen.