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Was hat Rotwein mit Tritium zu tun?

Hannelore Dittmar-Ilgen

Was hat Rotwein mit Tritium zu tun?

25 neue Physikerlebnisse





BookRix GmbH & Co. KG
80331 München

Es gibt viel zu entdecken!

Zu altem Rotwein griffen Physiker bei ihren Forschungen an dem radioaktiven Tritium, Ketchup will oft nicht aus der Flasche, Knödel aus Stärkebrei zerfließen und Wasserläufer können nicht schwimmen. Der Alltag ist angefüllt mit solchen Merkwürdigkeiten, bei denen erst der wissenschaftliche Blick hinter die Kulissen den Grund erschließt.

Folgen Sie mir bei diesen neuen Physikerlebnissen, für die Sie keine Formeln und auch nur wenig Vorwissen benötigen. Greifen Sie ab und zu mal zu Experimentiermaterial und probieren Sie das eine oder andere aus. Viel Vergnügen wünscht

die Physikhexe

Noch schnell eine Bemerkung, sozusagen das Kleingedruckte: Alle "Erlebnisse" habe ich sorgfältig recherchiert und aufgeschrieben, einiges sogar fotografiert. Aber auch mir unterläuft einmal ein Fehler. Zudem kenne ich natürlich Ihre heimischen Verhältnisse nicht. Daher kann ich keine Haftung übernehmen – oft genügt jedoch gesunder Menschenverstand, um einen „Patzer“ zu erkennen.

Hilf dem Ketchup auf die Sprünge!

Das Phänomen kennen wir alle: Versucht man, aus einer geöffneten Flasche Ketchup auf seinen Teller zu bekommen, passiert gar nichts. Wenn wir jetzt ein paar Mal kräftig auf den Flaschenboden stoßen oder sogar voller Ungeduld die gesamte (nun aber hoffentlich geschlossene) Flasche schütteln oder (falls es Plastik ist) durchkneten, kann es passieren, dass ein Schwall äußerst dünnflüssigen Ketchups Ihr Steak unter sich begräbt. So war das nun auch wieder nicht gewollt! Merkwürdig, oder?

Augenscheinlich hat sich die Flüssigkeit unter mechanischer Beanspruchung, so nennt man das, was wir mit ihr gemacht haben, verändert. Diese ungewöhnliche Eigenschaft hängt mit der Viskosität zusammen. Die Viskosität, auch Zähigkeit genannt, einer Flüssigkeit ist ein Maß dafür, wie schwer oder leicht sie fließen kann. Honig hat zum Beispiel eine hohe Viskosität, er fließt nur langsam vom Löffel. Wasser und viele andere Lösungsmittel hingegen haben eine niedrige Viskosität und fließen leicht. Viele technische Öle werden nach ihrer Viskosität klassifiziert, das kennen die Autofans. Die Viskosität der meisten Flüssigkeiten hängt nur von der Temperatur ab. Je höher diese ist, desto leichter fließen sie.

Bei Ketchup liegen die Verhältnisse allerdings anders, der Fachbegriff für sein exotisches Fließverhalten heißt Thixotropie. Dieses Wortungetüm setzt sich aus dem griechischen Substantiv „thixis“ für „Berühren“ und dem Begriff „trepo“ für „ich ändere“ zusammen. Bei Thixotropie kann man also durch Berühren die Eigenschaften eines Stoffes verändern: Lässt man Ketchup eine Weile in Ruhe, ist er äußerst zähflüssig und man kann ihn nicht aus der enghalsigen Flasche herausbekommen. Traktiert man ihn durch Schütteln, Stoßen, Kneten oder Rühren, also mit mechanischen Kräften, so wird seine Viskosität stark herabgesetzt und er gleitet leicht aus der Flasche heraus. Und je länger man einwirkt, desto dünnflüssiger wird der Ketchup.

Aber was genau passiert da? Der Ketchup verändert bei den mechanischen „Quälereien“ augenscheinlich seine innere Struktur. Ketchup besteht zu großen Teilen aus langkettigen oder unförmigen organischen Molekülen, die sich ineinander verhaken oder sogar lockere Verbindungen miteinander eingehen. Dabei bilden sie größere Molekülverbände oder Gerüststrukturen, die sich gegenseitig behindern und den Abwärtstrend aus der Flasche bremsen. Beim Schütteln zerstören Sie dieses verbundene Gemisch, trennen einen Teil dieser Verbindungen und entwirren einige der Verhakungen mit roher Gewalt, so dass sich die Moleküle wieder wie lange Fäden ausrichten können. Und schon fließt die würzige Sauce leichter, weil die Moleküle nun aneinander vorbei gleiten können. Allerdings erstarrt der Ketchup nach einer Weile in der Flasche und auch auf Ihrem Teller wieder. Die Moleküle nehmen erneut Tuchfühlung miteinander auf, gehen frische Verbindungen ein, drehen und wenden sich.

Wer jetzt denkt, Ketchup sei ein Exot, irrt.Thixotropes Fließverhalten ist auch von vielen anderen Stoffen bekannt. Ton oder Knete müssen zunächst weich geknetet werden, bevor man ordentlich damit arbeiten kann. Auch Zahncreme, Margarine, die meisten Farblacke oder Lippenstift zählen zu den Kandidaten. Bekannt sind auch Mischungen aus Sand und Wasser (Stichwort: Sandburgen) oder Schlammbreie, bei denen sich kleine Plättchen oder Körnchen gegeneinander abstützen. Der Aufbau des inneren Gerüsts hängt natürlich eng mit der Gestalt und Größe der Teilchen zusammen. Erschüttert man diese, brechen die Verbindungen zusammen und das Fluid gleitet ab. Denken Sie nur an das Einbrechen ihrer Bauwerke am Strand oder das Abrutschen ganzer Berghänge. Auch feuchter Kaffeesatz zeigt vergleichbare Eigenschaften.

Honig, wie man zunächst vermuten könnte, gehört jedoch nicht in diese Gruppe. Seine Viskosität verändert sich durch Hitzeeinwirkung, das „Festwerden“ ist ein Auskristallisieren. Auch Joghurt ist kein geeigneter Kandidat. Er wird durch Umrühren zwar dünnflüssig, aber die Strukturveränderungen, die dabei eintreten, kehren sich nicht von selbst wieder um, das feine Geflecht der Joghurtkultur ist unwiederbringlich zerstört, der Joghurt wird nicht mehr fest.

Übrigens: Man glaubt es kaum, aber Ketchup stammt (wahrscheinlich) aus China! Dort wurde er schon im 17. Jahrhundert als Dip zu Fisch oder Geflügel gereicht. „Ketsiap“ nannten die Chinesen ihre aromatische Mischung aus Öl, Pfeffer, Essig und getrockneten Sardellen. Die Tomaten wurden dann allerdings erst in Amerika hinzugefügt. 1792 gab es dort das erste Rezept für Tomaten-Ketchup. Allerdings war dieser würziger und nicht so süß wie heutige Produkte.

Stärkebrei zerfließt

Es gibt neben dem eben besprochenen Ketchup weitere verrückte Materialien, und so etwas Alltägliches wie Stärkebrei gehört auf jeden Fall dazu. Am besten Sie starten eigene Versuche mit diesem mysteriösen Brei, alles, was Sie brauchen ist Stärke und Wasser. Rühren Sie in einer Schüssel das Stärkepulver mit warmem Wasser zu einem dicklichen Brei. Ich habe eigene Experimente mit einer Mischung aus 400 g Stärkepulver und 600 - 700 ml Wasser durchgeführt. Auf jeden Fall sollten Sie den Brei langsam und vorsichtig anrühren, sonst benötigen Sie enorme Kräfte; auch ein elektrischer Mixer kann schnell außer Puste geraten – also Vorsicht.

Schon beim Rühren werden Sie feststellen, dass beim langsamen Durchziehen des Löffels die Mischung noch schön flüssig erscheint, erhöhen Sie jedoch die Geschwindigkeit, wird der Brei zäh und bröckelig. Lässt man die Masse in Ruhe, zerfließen die Bröckchen rasch wieder und gehen in der übrigen Mischung unter. Lassen Sie sich aber nicht täuschen, auch wenn die Oberfläche recht dünnflüssig aussieht. Erstaunlich, oder? Der Fachausdruck für dieses Verhalten, sich unter Druck oder Stößen zu verfestigen, heißt Dilatanz. Dilatante Materialien werden durch schnelle Krafteinwirkungen schlagartig zu einer relativ steifen Masse. Unter Druck ändert sich nämlich die innere Struktur des Materials und die Zähflüssigkeit des Materials nimmt enorm zu - im Gegensatz zu Ketchup, das durch Schütteln dünnflüssig aus der Flasche kommt.

 

Abb. 1: Stärkebrei wird bei Beanspruchung fest

 

Bei starker Konzentration der festen Teilchen weist Stärkebrei eine Vielzahl mit Flüssigkeit gefüllter, jedoch winziger Zwischenräume auf. Bei vorsichtiger Bewegung sorgt die Flüssigkeit wie ein Schmiermittel dafür, dass sich die Teilchen gegeneinander bewegen können. Übt man auf die Mischung jedoch Druck aus, werden die feinen Teilchen aneinander gepresst, sodass sie sich verhaken, verfestigen und gegenseitig behindern. Dabei entweicht das Lösungsmittel aus vielen Zwischenräumen. Eine unregelmäßige Struktur mit teils großen Netzen aus Stärketeilchen und (mehr oder weniger gefüllten) Zwischenräumen entsteht, die dem Brei Festigkeit verleiht. Eine gute Vorstellung von diesem Vorgang gewinnt man, wenn man an gemahlenen Kaffee in Vakuumpackungen denkt: Nachdem die Tüte mit gemahlenem Kaffee maschinell befüllt worden ist, evakuiert man sie, ihr wird die zwischen den Kaffeekörnchen enthaltene Luft entzogen. Das Material wird dabei fest und nimmt – die richtige Bearbeitung vorausgesetzt – Quaderform an. Beim Öffnen der Packung dringt wieder Luft in die Zwischenräume, der Kaffee nimmt an Volumen zu und wird wieder pulvrig, weil die einzelnen Körnchen wieder „genügend Luft haben“, um sich gegeneinander bewegen zu können.

 

Abb. 2: Sekundenknödel zerfließen tatsächlich in Sekunden

Mit dem Stärkebrei lassen sich interessante Experimente machen: Befüllen Sie kleine Luftballons (ersatzweise kleine Plastiktütchen) mit etwas Brei und werfen Sie diese mit großer Wucht zu Boden oder an die Wand (gut verschließen!). Der Brei wird in jedem Fall wie ein guter Vollgummiball zurückprallen. Auch „Sekundenknödel“ lassen sich mit ihm formen. Solange wir fleißig kneten, drücken und formen, gelingt das wunderbar und es entstehen ansehnliche Knödel. Aber wehe, wir legen solch einen Knödel auf einem Brettchen ab: Innerhalb nur weniger Sekunden zerfließt er vor unseren Augen Wenn Sie eine größere Menge Stärkebrei hergestellt haben, können Sie auch mit den Füßen in einer Art künstlichem Sumpf herumstampfen. Je schneller sie „arbeiten“, desto weniger versinken Sie. Sobald Sie aber erlahmen, werden sie unweigerlich einsacken.

Silly Putty, das seit den 1960er Jahren verkauft wird, gehört zu diesen exotischen dilatanten Materialien. Bei dieser Zauberknete handelt es sich um einen elastischen Kunststoff, ein anorganisches Polymer aus Silizium-, Bor- und Sauerstoffatomen, zusammen mit einigen Methylgruppen. Es entsteht, wenn zahlreiche kleinere Moleküle sich zu Ketten verbinden oder sich an Seitenästen zusammenlagern. Unter großer mechanischer Belastung, wie sie beispielsweise beim Kneten auftritt, oder unter Druck wird dieser Stoff enorm fest, manchmal sogar knallhart. Formt man aus Silly Putty, das sich zunächst wie normale Knete (Plastilin oder Bienenwachs) anfühlt, eine Kugel und schleudert sie zu Boden oder – interessanter! – gegen die Wand, verfestigt sich diese beim Aufprall so stark, dass sie wie ein elastischer Ball zurückgeworfen wird. Eine Kugel aus normaler Knete verformt sich plastisch und bleibt (bestenfalls) in dieser Form einfach an der Wand kleben.

Ein Hammerschlag auf die Zauberknete ist eindrucksvoll: Schlägt man mit dem Hammer langsam zu, entsteht eine tiefe Delle, beim raschen Zuschlagen schnellt der Hammer zurück, ein Abdruck ist kaum zu sehen. Es kann sogar passieren, dass die Zauberknete wie Keramik zerspringt und dabei kleinere, scharfkantige Stücke bildet. „Vergisst“ man diese einfach, wird man nach einiger Zeit feststellen, dass sich die scharfen Kanten gerundet haben, das Gebilde ist „zerflossen“. Silly Putty lässt sich zerschneiden; durch den Druck der beiden Scherenklingen wird es hart, so dass ein sauberer Schnitt entsteht. Auch Slime, ein glibberiger, giftgrüner Schleim in einer Mini-Mülltonne, der 1976 auf den Markt kam und den Kinder gerne zum Schrecken der Erwachsenen durch ihre Hände gleiten lassen, gehört in diese Gruppe. Slime ist allerdings viskoser als Silly Putty und wird beim Werfen an die Wand zwar zähflüssiger, jedoch nicht fest.

Das überraschende Verhalten des Kunststoffs beruht auf den elektrischen Ladungen der Moleküle. Durch äußeren Druck kommen sich diese Ladungen so nahe, dass Anziehungskräfte entstehen und sich die Moleküle an diesen Stellen verbinden. Im vorher zähflüssigen Material entstehen Vernetzungen, das Material verhärtet. Die Bindungen sind jedoch so schwach, dass sie durch die Temperaturbewegung der Moleküle (Brownsche Molekularbewegung) wieder aufbrechen, wenn die mechanische Einwirkung von außen aufhört.

Ein ähnliches Material wird übrigens seit kurzem als Schutzkissen, beispielsweise in Kleidung für Motorradfahrer, angeboten. Bei einem Sturz oder einer schlagartigen äußeren Einwirkung verhärtet sich das ansonsten gummiähnliche Material und verhindert so Verletzungen. Auch bei schusssicheren Westen erscheint eine Anwendung, zusammen mit dem widerstandsfähigen Kevlar, sinnvoll.

Bénard sorgt für Muster im Chaos

Starten wir gleich mit einem eindrucksvollen Experiment, das Ihren Kochtopf einer Bienenwabe ähneln lässt: Nehmen Sie einen Topf oder eine Pfanne mit einem glatten, möglichst dicken, hellen Boden und füllen Sie eine Schicht Öl hinein, 1-3 mm genügen. Erhitzen Sie das Öl auf dem Herd langsam von unten. Achten Sie darauf, dass die Ölschale möglichst waagrecht steht und sich der Topfboden beim Erhitzen nicht wölbt. Kurz bevor das Öl anfängt zu rauchen, Strom oder Gas ausschalten oder zumindest reduzieren. In gängigen Experimenten wird nun empfohlen, Aluminium- oder Eisenpulver als Schwebeteilchen in das Öl zu geben. Diese Materialien hat man aber normalerweise in einem Haushalt nicht zur Hand! Ich habe eigene Versuche mit diversen Materialien durchgeführt, besonders gelungen ist mir die Verwendung von fein gemahlenem, schwarzem Pfeffer. Dieser schäumt zwar nach der Zugabe auf, nach kurzem Umrühren entstehen jedoch scheinbar wie aus dem Nichts faszinierende Wabenmuster, deren Bildung man mit Hilfe der Pfefferteilchen gut verfolgen kann. Auch mit schäumendem Honig hatte ich Glück.

 

 

Abb. 3: Ein Wabenmuster bildet sich

 

Zunächst entdeckt man auf der Oberfläche ein Mosaik aus Vielecken, die zu Beginn noch unregelmäßig sind und zwischen vier und sieben Seiten haben. Nach einiger Zeit entwickelt sich daraus eine Art Honigwabenmuster mit regelmäßigen Sechsecken. Eine der ersten Beschreibungen solcher Oberflächenphänomene stammt von dem Physiker William Thomson (besser bekannt als Lord Kelvin), der sich gegen Ende des 19. Jahrhunderts mit derartigen Mustern auf heißem Seifenwasser und starken Weinen (sic!) befasste. Erklären konnte er sie allerdings nicht. Erst um die Jahrhundertwende entdeckte der französische Physiker Henri Bénard die wabenartigen Strukturen, die nach ihm Bénard-Zellen genannt werden. In seiner Dissertation lieferte er eine Erklärung des Phänomens.

 

 

Abb. 4: Auch Honig ist ein guter Versuchskandidat

 

Erhitzt man das Öl, so erwärmt es sich am Boden des Topfes. Die zugeführte Wärmeenergie breitet sich zunächst durch Wärmeleitung aus, also durch Transport von Wärmeenergie durch eine ruhende Flüssigkeit. Dabei wird die von der Temperatur abhängige Bewegungsenergie der Teilchen durch unzählige Stöße an langsamere Teilchen in kälteren Bereichen weitergereicht, bis sie schließlich auch Teilchen an der Oberfläche erreicht und in die umgebende Luft entweicht. Die Flüssigkeitsteilchen verbleiben dabei – von kleineren, zufälligen Fluktuationen abgesehen - in etwa an Ort und Stelle.

Heizen wir das Öl jedoch weiter auf, reicht diese Wärmeleitung allein nicht mehr aus, die am Boden des Topfes zugeführte Energie abzuleiten. Jetzt kommt ein neuer Mechanismus ins Spiel, der einen effizienteren Wärmetransport verspricht, nämlich die Konvektion: Die Flüssigkeit setzt sich selbst in Bewegung - es bilden sich Wärmeströmungen aus, die für eine Durchmischung der Flüssigkeit sorgen. Solche Strömungen entstehen in Gasen und Flüssigkeiten immer dann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen unterer, heißer und oberer, kühler Begrenzung einen kritischen Schwellenwert übersteigt. Im Öl kommt diese natürliche Konvektion zustande, weil die untere Schicht der Flüssigkeit heißer als die auf ihr lagernden Schichten ist. Sie hat eine geringere Dichte und erfährt einen Auftrieb. Den Auftriebskräften wirkt allerdings die Viskosität, d. h. die Zähigkeit der Flüssigkeit, entgegen. Der großräumige Wärmetransport unterbleibt daher zunächst, wenn der Temperaturunterschied und damit der Auftrieb noch gering sind.

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