Die Gesetze der Physik wirken überall. Indem Sie Milch zu Tee oder Kaffee hinzufügen und für den Bruchteil einer Sekunde schnell mit einem Löffel umrühren, können Sie beobachten, wie sich die Flüssigkeiten in einer Spirale gegenseitig mitreißen. Ähnliche "Wirbel" sind aus dem Weltraum sichtbar, wenn warme und kalte Luftströme aufeinandertreffen, um Zyklone zu bilden. Beide Phänomene lassen sich trotz des scheinbaren Unterschieds auf die gleiche Weise erklären. Im Buch Physik und Leben. Die Naturgesetze: Von der Küche zum Weltraum "(Verlag "Mann, Ivanov und Ferber"), ins Russische übersetzt von Ivan Verigin, demonstriert die Physikerin Helen Cherski an Beispielen, wie die Kenntnis physikalischer Prinzipien es erlaubt, alltägliche Kleinigkeiten anders zu betrachten, die große Wissenschaft besser verstehen und auch interessante Zusammenhänge und Muster beachten: zum Beispiel was Radfahrer und Skorpione vereint, die Hühnereier und Gyroskope des Hubble-Weltraumteleskops, Popcornknallen und Raketenstarts ins All. N + 1 lädt seine Leser ein, einen Auszug aus den Experimenten einer deutschen Hausfrau zu lesen, die Wissenschaftlern bei der Untersuchung der Oberflächenspannung half.
Wenn sich kleine Gegenstände durch eine bestimmte Flüssigkeit bewegen, kommt es auf die Viskosität an: Fettkügelchen steigen in der Milch auf oder winzige krankheitserregende Bakterien sinken in die Luft. Die Oberflächenspannung, der Partner der Viskosität in der Mikrowelt, beeinflusst die Stelle, an der zwei verschiedene Flüssigkeiten in Kontakt kommen. Im Alltag beobachten wir dieses Phänomen, wenn Luft mit der Wasseroberfläche in Kontakt kommt. Ein typisches Beispiel für das Mischen von Luft mit Wasser ist eine Luftblase *. Beginnen wir also mit einem Schaumbad.
* Für mich gilt das ganz besonders: Schließlich ist mein Spezialgebiet die Physik der Luftblasen.
Das Geräusch der mit Wasser gefüllten Badewanne gibt uns ein gutes Gefühl. Er kündigt eine wohlverdiente Belohnung nach einem harten Arbeitstag an, eine Gelegenheit, sich von einem stressigen Tennismatch zu erholen oder einfach nur ein wenig zu verwöhnen. Aber sobald Sie das Schaumbad einschenken, ändert sich der Klang. Wenn sich der Schaum bildet, verstummt das tiefe Rumpeln und wird weicher, und es wird schwierig, die Grenze zu bestimmen, an der die Oberfläche des Bades mit der Luft in Kontakt kommt. In den Wasserzellen sind Lufteinschlüsse eingeschlossen, und es brauchte nur etwas Flüssigkeit aus der Schaumbadflasche.
Die Ehre, das Geheimnis der Oberflächenspannung zu lüften, gehört einer Gruppe europäischer Wissenschaftler, die es Ende des 19. Jahrhunderts getan haben. Viktorianische Leute liebten Blasen. Von 1800 bis 1900 nahm die Seifenproduktion dramatisch zu, da die Schöpfer der industriellen Revolution nicht darauf verzichten konnten. Der Schaum versorgte die Menschen der viktorianischen Ära mit reichlich Nahrung zum Moralisieren, da er das ideale Symbol für moralische Reinheit und Sündenlosigkeit war. Darüber hinaus war es ein wunderbares Beispiel für klassische Physik in Aktion - nur wenige Jahre vor dem Aufkommen der speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, die die unangemessen aufgeblähte Vorstellung eines so sauberen, gemütlichen und respektablen Universums spitzten. Aber selbst ernsthafte Gentlemen mit glatten Zylindern und festen Bärten konnten nicht in die Geheimnisse der Blasenwissenschaft eindringen. Die Seifenblasen waren so vielseitig, dass sich niemand an sie herantraute, außer Agnes Pockels, die oft als "einfache deutsche Hausfrau" bezeichnet wird, obwohl sie in Wirklichkeit eine ziemlich schlaue und kritisch denkende Person war, die einen sehr begrenzten Gebrauch machte Materialvielfalt und ein gehöriges Maß an Einfallsreichtum, um selbstständig die Oberflächenspannung zu untersuchen.
Agnes wurde 1862 in Venedig geboren und gehörte einer Generation an, die fest davon überzeugt war, dass die Frau den Platz am Herd hat. Dort wohnte sie, als ihr Bruder zum Studium an die Universität geschickt wurde. Aber Agnes beherrschte die Weisheit der Physik mit Hilfe von Lehrmaterialien, die ihr Bruder ihr schickte, führte ihre eigenen physikalischen Experimente zu Hause durch und verfolgte genau das Geschehen in der wissenschaftlichen Welt. Als sie erfuhr, dass der berühmte britische Physiker Lord Rayleigh begonnen hatte, sich für die Oberflächenspannung zu interessieren, ein Phänomen, mit dem sie viel experimentierte, schrieb Agnes ihm einen Brief, in dem sie ihre Ergebnisse beschrieb. Es beeindruckte den Wissenschaftler so sehr, dass er es zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature schickte, damit sich die größten wissenschaftlichen Denker der Zeit damit vertraut machen konnten.
Was Agnes tat, war sehr einfach und witzig zugleich. Sie hängte eine kleine Metallscheibe (ungefähr so groß wie ein Knopf) an eine Schnur, sodass sie auf der Wasseroberfläche lag, und maß dann die Kraft, die erforderlich war, um sie von der Wasseroberfläche zu heben. Das Rätsel war, dass das Wasser versuchte, die Scheibe zu halten, und es erforderte mehr Kraft, sie abzureißen, als sie von der Tischplatte zu heben. Diese zusätzliche Kraft wird Oberflächenspannung genannt, daher hat Agnes die Oberflächenspannungskraft gemessen. Dann konnte sie die Wasseroberfläche untersuchen, obwohl die dünne Molekülschicht, die die Wirkung dieser Kraft bestimmt, so klein war, dass Agnes nicht die Möglichkeit hatte, sie direkt zu untersuchen. Wie genau sie das gemacht hat, erfahren wir weiter unten, aber zuerst kommen wir zurück zum Bad.
Ein mit sauberem Wasser gefülltes Bad ist eine riesige Ansammlung von Molekülen, die sich chaotisch bewegen und miteinander kollidieren. Aber eine der charakteristischen Eigenschaften von Wasser ist die starke Anziehung all dieser Moleküle zueinander. Jedes dieser Moleküle besteht aus einem großen Sauerstoffatom und zwei kleineren Wasserstoffatomen (entspricht der bekannten chemischen Formel für Wasser - H2O). Das Sauerstoffatom befindet sich in der Mitte; An beiden Seiten ist ein Wasserstoffatom angehängt: Es sieht aus wie ein leicht abgeflachter Buchstabe V. Obwohl das Sauerstoffatom sehr stark mit seinen beiden Wasserstoffatomen verbunden ist, macht es ihm nichts aus, mit anderen Wasserstoffatomen in der Nähe zu flirten. Daher zieht es ständig Wasserstoffatome an, die zu anderen Wassermolekülen gehören. Dies bestimmt viele seiner Eigenschaften. Dieses Phänomen wird als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet und ist sehr langlebig. Im Bad werden Wassermoleküle ständig von anderen Wassermolekülen angezogen, wodurch das Wasser wie eine homogene und zusammenhängende Substanz aussieht.
Moleküle auf der Wasseroberfläche sind gewissermaßen „semi-stry“. Sie werden von den Molekülen unter ihnen angezogen, aber über ihnen gibt es nichts, was sie hochziehen könnte. Dadurch erfahren sie Kräfte, die sie nach unten und zur Seite ziehen, aber nicht nach oben, so dass sich die Wasseroberfläche wie ein elastischer Film über alle unter der Deckschicht befindlichen Wassermoleküle gespannt und nach innen zusammengezogen verhält Versuchen Sie, Ihre Größe so weit wie möglich zu reduzieren. Das ist Oberflächenspannung.
Wenn Sie den Wasserhahn drehen, wird Luft in die Wanne gezogen, wodurch sich Luftblasen bilden. Aber nachdem sie aufgetaucht sind, können sie nicht weiter existieren. Die kreisförmige Kuppel der Blase dehnt diese Oberfläche und die Oberflächenspannung ist nicht stark genug, um sie wieder nach unten zu ziehen. Daher platzen die Blasen.
Agnes führte das folgende Experiment durch: Sie nahm einen Knopf und vergewisserte sich, dass die auf ihn einwirkende Kraft nicht ausreichte, um den Knopf von der Wasseroberfläche zu lösen (der Knopf schwamm auf seiner Oberfläche). Dann tropfte sie eine Substanz wie Waschmittel auf die Wasseroberfläche in der Nähe des Knopfes. Nach etwa einer Sekunde löste sich der Knopf von der Oberfläche. Das Reinigungsmittel verteilt sich im Wasser und verringert die Oberflächenspannung. Um die Oberflächenspannung zu senken, muss also eine dünne Deckschicht erzeugt werden, damit nicht nur Wassermoleküle seine Oberfläche ausmachen.
Durch das Hinzufügen von Schaumbad können Sie sich von einer sauberen, glatten, minimalen Oberfläche verabschieden. Eine kleine Menge der aromatisierten Flüssigkeit dringt in das Wasser ein und macht sich sofort an die Arbeit. Jedes Molekül dieser Flüssigkeit liebt ein Ende und das andere hasst Wasser. Wenn das wasserhassende Ende auch nur ein wenig Luft findet, klammert es sich daran fest, aber auch das wasserliebende Ende gibt nicht auf. Dadurch bildet sich überall dort, wo Wasser mit Luft in Berührung kommt, direkt auf dieser Oberfläche eine dünne Schicht Badeschaum. Die Dicke der Schicht entspricht der Größe eines Moleküls und die Größe aller Moleküle ist gleich, wodurch alle ihre wasserliebenden Enden in Wasser eingetaucht sind und die Enden, die es hassen, in der Luft liegen. Bei einer dünnen Beschichtung ist eine große Oberfläche kein Problem. Badeschaum erzeugt nicht so viel Spannung wie Wasser, daher wird die Wirkung des elastischen Films deutlich geschwächt. Es kommt der Moment, in dem das Interessanteste an der Oberfläche passiert - wofür tatsächlich Schaum benötigt wird. Durch die Verringerung der Oberflächenspannung verlängert das Schaumbad die Lebensdauer der Luftblasen, da ihre größere Oberfläche viel belastbarer ist.
Es ist wohl erwähnenswert, dass wir weißen Schaum eher mit der Beseitigung von Schmutz aller Art in Verbindung bringen, aber in modernen Reinigungsmitteln ist die beste Substanz für die Haftung an der Wasseroberfläche und die Schaumbildung nicht gleichbedeutend mit der besten Substanz zur Entfernung von Schmutz und Fettflecken von Kleidung und Geschirr. … Sie können ein sehr gutes Waschmittel herstellen, das wenig oder keinen Schaum produziert. Außerdem kommt uns Schaum oft nur in die Quere. Aber die Waschmittelhersteller haben die Leute so überzeugt, dass der perfekte weiße Schaum der wahre Garant für eine perfekte Wäsche ist, dass sie sich selbst in die Ecke getrieben haben. Waschmitteln werden häufig Schaumbildner zugesetzt, um das Auftreten von Luftblasen zu gewährleisten und Unzufriedenheit der Verbraucher zu vermeiden.
Die Oberflächenspannung ist wie die Viskosität eines der im Alltag (also im Makrokosmos) beobachteten Phänomene, spielt aber in den meisten Fällen eine untergeordnete Rolle als Schwerkraft und Trägheit. Aber mit dem Übergang zur Ebene der Mikrowelt nehmen ihre Rolle und ihr Platz in der Hierarchie der Kräfte deutlich zu. Es erklärt, warum eine Brille beschlägt und warum wir unsere Hände mit einem Handtuch trocknen können. Der eigentliche Reiz des Mikrokosmos liegt jedoch darin, dass viele winzige Prozesse in einem riesigen Objekt ablaufen können und deren Ergebnisse aufsummiert werden. Es stellt sich beispielsweise heraus, dass die Oberflächenspannung, die in bestimmten Situationen nur auf der Mikroebene dominiert, die Existenz der massereichsten Lebewesen auf dem Planeten bestimmt. Aber um dieses Thema zu diskutieren, müssen wir einen anderen Aspekt berücksichtigen. Was passiert, wenn die Oberfläche, die Gas und Flüssigkeit trennt, auf einen festen Gegenstand trifft?
