Spektrum Kompakt – Wasser: Die rätselhaften Eigenschaften von H2O by


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Isbn
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Year 2016
Pages 74
Language German
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Category chemistry



 

EDITORIAL IMPRESSUM Lars Fischer E-­Mail: [email protected] Liebe Leserin, lieber Leser, einst war das Wasser das höchste: Fast 3500 Jahre alte Tontafeln aus Griechenland zeigen den Meeresgott ­Poseidon als obersten Gott jener Zeit. Auch wenn er d­ iesen Platz später räumen musste, das Wasser hat seine Faszination nie verloren, wie unzählige Geschichten und Kunstwerke bezeugen. Die Erkenntnisse der Wissenschaft, die sich seit der Neuzeit ausführlich mit Folgen Sie uns: dem so einfach aufgebauten Molekül befasst, haben den Urstoff des Lebens nicht entzaubert – im Gegenteil. In diesem Kompakt lesen Sie über Forschung aus den letzten Jahren, die immer wieder demonstriert, was für ein eigenwilliger Stoff das Wasser tatsächlich ist. Flüssiges Wasser erweist sich als klumpig, und Quanteneffekte helfen ihm durch feste Kristalle hindurch. Eis – gefrorenes Wasser – gibt es in diversen Kristallvarianten, und schon das uns geläufige Eis steckt voller Überraschungen. Nicht bieten ­können wir Ihnen allerdings das von Kurt Vonnegut in »Cat’s cradle« literarisch verewigte »Eis-IX«. Ich wünsche Ihnen dennoch viel Spaß mit unserem neuen Kompakt »Wasser«. Erscheinungsdatum dieser Ausgabe: 18.07.2016 Chefredakteure: Prof. Dr. Carsten Könneker (v.i.S.d.P.), Dr. Uwe Reichert Redaktionsleiter: Christiane Gelitz, Dr. Hartwig Hanser, Dr. Daniel Lingenhöhl Art Director Digital: Marc Grove Layout: Oliver Gabriel Schlussredaktion: Christina Meyberg (Ltg.), Sigrid Spies, Katharina Werle Bildredaktion: Alice Krüßmann (Ltg.), Anke Lingg, Gabriela Rabe Produktmanagerin Digital: Antje Findeklee Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Tiergartenstr. 15–17, 69121 Heidelberg, Tel. 06221 9126-600, Fax 06221 9126-751; Amtsgericht Mannheim, HRB 338114, UStd-Id-Nr. DE147514638 Geschäftsleitung: Markus Bossle, Thomas Bleck Marketing und Vertrieb: Annette Baumbusch (Ltg.) Leser- und Bestellservice: Helga Emmerich, Sabine Häusser, Ute Park, Tel. 06221 9126-743, E-Mail: [email protected] Die Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH ist Kooperationspartner der Nationales Institut für Wissenschaftskommunikation gGmbH (NaWik). Bezugspreis: Einzelausgabe € 4,99 inkl. Umsatzsteuer Anzeigen: Wenn Sie an Anzeigen in unseren Digitalpublikationen interessiert sind, schreiben Sie bitte eine E-Mail an [email protected] Sämtliche Nutzungsrechte an dem vorliegenden Werk liegen bei der Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH. Jegliche Nutzung des Werks, insbesondere die Vervielfältigung, Verbreitung, öffentliche Wiedergabe oder öffentliche Zugänglichmachung, ist ohne die vorherige schriftliche Einwilligung des Verlags unzulässig. Jegliche unautorisierte Nutzung des Werks berechtigt den Verlag zum Schadensersatz gegen den oder die jeweiligen Nutzer. 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IRVINE Physiker »verknoten« Wasser SUPERHYDROPHOBER SCHMETTERLINGSFLÜGEL WASSER SEITE 61 LOUCHE-EFFEKT SEITE 72 Warum gefrierende Tropfen ein spitzes Häubchen kriegen Schneller Absprung FOTOLIA / MYSI05 SEITE 26 ISTOCK / GUTZEMBERG ISTOCK / VITALINA RYBAKOVA Warum werden Anisschnäpse milchig, wenn man sie mit Wasser mixt? Wasser ist klumpig 06  Struktur des kleinsten dreidimensionalen Wasserclusters aufgeklärt 13 Nanoschicht macht Wasser knetbar 15 Hüpf, Steinchen, hüpf! 19 Klangfiguren unter Wasser 22 Wasser tunnelt im Edelstein 24  Strömendes Wasser energetisiert die Oberfläche 28 Trocknen im Zickzack 29 Schillernde Farben 35  Warum sehen wir im Regenbogen immer gleiche Farben? 39 Was wiegt eine Wolke? 41 Flüssig bei minus 46 Grad Celsius 43 Absoluter Gefrierpunkt von Wasser ermittelt 46 Flüssiges Wasser bei 130 Grad unter null 48  Eiskristall braucht mindestens 275 Wassermoleküle 51 Kristallene Schönheiten 57  Forscher erschaffen erstmals quadratische Schneeflocken 59 Wie haariges Eis entsteht 63 Glatt daneben 68 Das Rätsel von Mpemba 04 3 Wasser ist klumpig STRUKTUR Unter den Lösungsmitteln sticht Wasser heraus, weil es so stabile Strukturen bildet. Versuche zeigen, dass diese Bindungszustände weit länger erhalten bleiben als in anderen Flüssigkeiten. ISTOCK / MARK EVANS von Lars Fischer 4 le hinaus überall sehr ähnlich. Tatsächlich aber bleiben durch den von Hunger und seiner Arbeitsgruppe entdeckten Effekt auch größere Strukturen für überraschend lange Zeiten stabil – bis zu eine Pikosekunde statt wie bisher vermutet maximal ein Zehntel dieses Wertes. Damit bewegen sich die Lebensdauern dieser Zustände in der gleichen Größenordnung wie die Molekülschwingungen, die den Verlauf chemischer Reaktionen bestimmen. Das hat, vermuten die Forscher, erhebliche Folgen für den Energiehaushalt solcher Reaktionen: »Klumpiges« Wasser kann Wärme unter Umständen nicht so gut abführen wie ein homogenes Lösungsmittel.   KOMPAKT (Spektrum.de, 18. September 2015) IMMUNSYSTEM PASSKONTROLLE IM KÖRPER FÜR NUR € 4 ,9 9 HIER DOWNLOADEN ISTOCK / ALEX KOTELNIKOV W ir verdanken unsere Existenz einer chemischen Kuriosität: Wasser. Die auf den ersten Blick so gewöhnlich aussehende Flüssigkeit unterscheidet sich entscheidend von anderen Lösungsmitteln und ermöglicht so Leben, wie wir es kennen. Eine Arbeitsgruppe um Johannes Hunger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz hat nun eine lange diskutierte Besonderheit des Wassers vermessen: Nach Analysen von Infrarotspektren, die Auskunft über die Molekülschwingungen geben, sind lokale Strukturen in der Flüssigkeit bei bestimmten Frequenzen weit stabiler als gedacht. Auf den Zeitskalen, in denen chemische Reaktionen ablaufen, ist Wasser deswegen klumpig – ein Umstand, der in Modellen chemischer Abläufe bisher nicht berücksichtigt ist. Wassermoleküle binden untereinander über eine spezielle Bindungsform, so genannte Wasserstoffbrücken. Einerseits begünstigt diese vergleichsweise starke Bindung lokale Strukturen, andererseits verschieben sich die Brücken so schnell, dass man Wasser bisher für homogen hielt – also in Maßstäben über zwei, drei Molekü- n e m i d i e r d n e t s n i e l t ­ k r ä s l e k d e g r f u a s r e Struktu t s u l c r e s s a W ­ dnete n r o e e l g e a g i urzleb sion k tail, d n a t s tzt im De n Zu S scher üssige igen je l e f z m n i e h g c n essu M ildet au b e h r c e s s i s p a W trosko k e p S . n e Struktur sehen. s u a e i s wie Fi von Lars ISTOCK / ALEX ZAITSEV WA S S E R R TRUKTU 6 D ank der starken Bindungen der Moleküle untereinander bildet Wasser auch im flüssigen Zustand geordnete Strukturen, die großen Einfluss auf seine chemischen und physikalischen Eigenschaften haben. Wie diese Strukturen aussehen, ist allerdings noch unklar, da sie extrem kurzlebig und schwer zu detektieren sind. Deswegen erforschen Wissenschaftler Cluster aus wenigen Wassermolekülen, um deren jeweils energieärmsten Konfigurationen zu ermit- UNIVERSITY OF VIRGINIA Prisma Käfig teln. Für Cluster von bis zu fünf Wassermolekülen ist das bereits gelungen, diese Gruppen bilden allesamt flache Ringe. Der erste Wassercluster, der sich aus der Ebene heraus in die dritte Dimension erhebt und deswegen Rückschlüsse auf die Struktur realen Wassers erlaubt, ist der SechserCluster, und der hat sich Wissenschaftlern lange entzogen. Ein Team um Brooks Pate von der University of Virginia hat die Strukturen dieser Wassercluster in einem Überschalljet analysiert. Die stabilste Struktur ist demnach Buch die Käfigstruktur, gefolgt vom Prisma und der Buch-Struktur. Letztere ist allerdings bei höheren Temperaturen durch ihre höhere Entropie günstiger. Neben diesen Anordungen fanden die Forscher auch noch Signale, die sie auf Cluster aus sieben und neun Wassermolekülen zurückführen. Für ihre Messungen verwendeten die Forscher Wasser, das sie mit dem schweren Sauerstoff­ isotop 18O markiert hatten. Dieses konnten sie in Mikrowellen-Rotationsspektren eindeutig identifizieren und jeweils die Position in den Clustern bestimmen. Daraus leiteten sie nicht nur die Form der jeweiligen Cluster ab, sondern auch, wie häufig sie in den Wasserproben auftreten. Für die theoretische Chemie mit Computermethoden ist der Cluster aus sechs Wassermolekülen ein besonderer Prüfstein, denn es existieren diverse Strukturen mit nahezu minimaler Energie, deren DREIDIMENSIONALE WASSERCLUSTER Die drei energieärmsten Strukturen aus sechs Wassermolekülen. Pate und seine Kollegen identifizierten die Cluster mit Hilfe isotopenmarkierter Wassermoleküle und Rotationsspektroskopie. 7 stabilste nur schwer präzise zu ermitteln ist. Selbst gängige Modelle, die in anderen Systemen sehr erfolgreich sind, sagen gelegentlich nachweislich falsche Strukturen voraus. Die von den Forschern gefundenen Strukturen bestätigen, dass die drei von Computersimulationen vorhergesagten Strukturen tatsächlich den Energieminima entsprechen. Damit seien die Forscher auf dem Weg zu einem universellen Computermodell des Wassers einen großen Schritt vorangekommen, schreiben die Chemiker Richard Saykally und David Wales in einem Kommentar zu der Veröffentlichung. Allerdings sagten die Modelle die Prisma-Struktur als energieärmste Struktur vorher, während im Experiment die Käfigstruktur günstiger ist. Außerdem ist noch unklar, wie die Strukturen dynamisch ineinander übergehen. Die spektroskopischen Daten weisen auf Schwingungszustände hin, die über die kompletten Cluster delokalisiert sind und potentiell Auswirkungen auf deren Eigenschaften haben.  Alles, was Sie wissen müssen. Auf Ihrem Bildschirm. DAS SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT DIGITALABO Wissenschaftler berichten über die aktuellen Erkenntnisse ihrer Fachgebiete. Jahrespreis (12 * im Jahr) € 60,–; ermäßigt (auf Nachweis) € 48,– HIER ABONNIEREN (Spektrum.de, 18. Juni 2012) Science 336, S. 897 – 901, 2012 8 FLUIDE Physiker »verknoten« Wasser von Ron Cowen DUSTIN KLECKNER, WILLIAM T. M. IRVINE Es hört sich unmöglich an: Britischen Forschern gelang es tatsächlich, Wasserwirbel zu verschnüren. Daraus ergibt sich eine Fülle an Experimentiermöglichkeiten. 9 Exklusive Übersetzung aus 3-D-Ansicht eines Wasserwirbelknotens VIDEO ONLINE ANSEHEN dazu verdreht werden. Mit Hilfe der Miniaturausgabe eines Flugzeugflügels – den sie mit einem 3-D-Drucker entwickelten – gelang dies Klockner und Irvine letztlich, und sie schufen einen verknoteten Wirbel. Dabei halfen ihnen Gesetzmäßigkeiten der DUSTIN KLECKNER, WILLIAM T. M. IRVINE Ü ber ein Jahrhundert nach den ersten theoretischen Überlegungen haben Physiker herausgefunden, wie man Wasser zu Knoten schnüren kann – zumindest im Labor. Die Entdeckung ebnet nun wahrscheinlich den Weg, Drehungen und Wendungen verschiedenster Phänomene experimentell zu untersuchen – von ionisierten Gasen der äußeren Sonnenatmosphäre, supraleitenden Materialien, Flüssigkristallen und Quantenfeldern in der Teilchenphysik. Ursprünglich gehen diese »Wirbelringe« auf Lord Kelvin zurück, dessen Grundidee zur Entstehung der Knotentheorie als Teil der Topologie mit beitrug. Einen Knoten in einer Flüssigkeit zu schnüren, habe allerdings wenig mit dem Binden von Schuhbändern zu tun, sagen die beiden Physiker Dustin Kleckner und William Irvine von der University of Chicago, denen dies gelang. Das gesamte dreidimensionale Volumen einer Flüssigkeit in einem vorgegebenen Raum – etwa einem Wirbel – muss Aerodynamik: Während eines Flugs erzeugen die Flügel eine rotierende, wirbelartige Bewegung der Luftströmung, die dem Flugzeug Auftrieb verleihen. Sobald ein stillstehender Flügel plötzlich beschleunigt – etwa beim Start – entstehen zwei Luftwirbel, die 10 »VERKNOTETES« WASSER Eine der ersten Schleifen, die den beiden Physikern bei ihren Verwirbelungen gelungen ist. Sichtbar machen konnten sie diese durch zahllose kleine Gasbläschen, die in die Flüssigkeit injiziert wurden. DUSTIN KLECKNER, WILLIAM T. M. IRVINE in entgegengesetzte Richtungen rotieren. Die Forscher tauchten daher ihre Miniflügel in einem Wasserbehälter unter und beschleunigten sie dort schlagartig, um auf diese Weise eine Knotenstruktur zu produzieren. Eine technische Meisterleistung war jedoch nicht nur das Erzeugen der Wirbel, sondern ebenso ihr Bildnachweis. Normalerweise verwenden Physiker Farbstoffe, um die Bewegung von Flüssigkeiten nachvollziehen zu können. Kleckner und Irvine hingegen leiteten kleinste Gasbläschen ins Wasser, die wegen der auftretenden Auftriebskräfte direkt in den zentralen Knotenbereich gezogen wurden. Ein Hochgeschwindigkeits-Laserscanner, der 76 000 Aufnahmen pro Sekunden machen kann, ermöglichte es den Forschern, das dreidimensionale Gefüge der Bläschen zu rekonstruieren und so die Knoten sichtbar zu 11 DUSTIN KLECKNER, WILLIAM T. M. IRVINE machen. »Es ist ein bemerkenswerter Erfolg für die beiden, dass sie diese Wirbelknoten ablichten konnten«, bestätigt Mark Dennis von der University of Bristol, dem bereits verknotete Wirbel aus Lichtstrahlen gelungen sind. Diese neue Studie wandele endlich abstrakte Gedankengänge über physikalische Vorgänge in testfähige Experimente um, so der Wissenschaftler. »Verknotete Wirbel stellen ein ideales Modellsystem dar, mit dem man präzise untersuchen kann, wie sich Knoten in einer realen physikalischen Umgebung auch wieder aufschnüren«, fügt Irvine an. Verknotete Wirbel tauchen in verschiedensten Teilbereichen der Physik auf. Teilchenphysiker beispielsweise vermuten, dass so genannte Glueballs – hypothetische Ansammlungen aus Gluonen – eng verknotete Quantenfelder sind. Vor Kurzem meldeten Wissenschaftler zudem, dass sie verwirbelnde Magnetfeldlinien auf der Sonne beobachtet hätten, die dazu beitragen, Hitze aus dem Inneren der Sonne in deren Korona zu übertragen. Dies könne erklären, warum das Plasma der Korona so viel heißer ist als die Sonnenoberfläche selbst, so Jonathan Cirtain vom Marshall Space Flight Center der NASA.  (Spektrum.de, 4. März 2013) VERSCHIEDENE TRAGFLÜGEL Um die Wasserschleifen zu erzeugen, mussten die Physiker mit verschiedenen Tragflügeln experimentieren. Nur das Modell unten rechts erzeugte tatsächlich Knoten. 12 FLÜSSIGKNETE Nanoschicht macht Wasser knetbar von Jan Dönges FOTOLIA / STUDIO KIVI Eine Art »Flüssigknete« lässt sich fast beliebig formen und sogar schneiden, besteht im Innern aber aus reinem Wasser. Möglich macht es eine unsichtbare Deckschicht. 13 Außen fest, innen flüssig XIAOGUANG LI / NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY A uf den Namen »liquid plasticine«, zu Deutsch »Flüssigknete«, tauften Wissenschaftler um Xiaoguang Li von der Tongji-Universität in Schanghai ihre Entwicklung: Flüssigkeitstropfen, die durch Nanopartikel in Form gehalten werden. Dank ihrer unsichtbaren Hülle ist es möglich, die Tropfen zu modellieren und sogar zu schneiden – ähnlich wie bei einem Gel, aber ohne im Innern zähflüssig zu sein. Der Trick gelingt Li und Kollegen mit Hilfe von 20 Nanometer großen Partikeln aus Siliziumdioxid, die sie erzeugen, indem sie ein Silikagel auf einer Glasscheibe trocknen lassen. Wie die Forscher herausfanden, umhüllen die winzigen Teilchen die Tropfen und bilden an deren Oberfläche eine Schicht, die an den meisten Stellen nur ein Teilchen dick ist. Dem Tropfen verleihen sie Formstabilität, indem sie sich zusammenballen und ineinander verkeilen, ergab die Untersuchung der Forscher. Löst man das Teilchenknäuel, zerfließt der Tropfen. Andernfalls lässt er sich mit Hilfe hydrophober Werkzeuge kneten und teilen. Ganz ähnliche Versuche gibt es bereits seit Anfang der 2000er Jahre. Damals pro- VIDEO ONLINE ANSEHEN duzierten Wissenschaftler »flüssige Murmeln«, indem sie eine Flüssigkeit mit einem stark wasserabweisenden Pulver in Berührung brachten. Es entstehen dabei kugelrunde Objekte mit pudriger, undurchsichtiger Hülle. Das erklärte Ziel von Li und Kollegen war es, dieses »interessante und verblüffende Phänomen« zu verstehen, zu verbessern und womöglich anwendungstauglich zu machen. So erkannten sie, dass der Einsatz der Nanoteilchen zu vielseitigeren Ergeb- nissen führt. Nun stellen sie sich vor, die »Flüssigknete« als Behälter für chemische Reaktionen einzusetzen oder sie zu Kanälen zu formen, in denen Flüssigkeiten transportiert und gemischt werden. Auch der Einsatz als Linsen komme bei der ein oder anderen Spezialanwendung vielleicht in Frage. Insbesondere dafür sei entscheidend, dass die Teilchenhülle dank des Siliziumdioxids in hohem Maß durchsichtig ist.  (Spektrum.de, 2. Februar 2016) 14 Treffen flache Kiesel unter kleinem Winkel auf eine Wasseroberfläche, wirkt diese wie eine Sprungschanze. Das kann sich einige Male wiederholen. von H. Joachim Schlichting ISTOCK / STACY_POSPELOVA Hüpf, Steinchen, hüpf! 15 K inder und Erwachsene haben gleichermaßen Spaß daran, glatte Steine über ein ruhiges Gewässer springen zu lassen. Titschen, Plätteln, Schiefern oder ganz einfach Steinehüpfen sind nur einige der Ausdrücke, mit denen dieses Spiel mit der einfachen Regel, den Stein möglichst oft aufsetzen zu lassen, je nach Region bezeichnet wird. Dass die Wurfobjekte unter gewissen Bedingungen nicht gleich untergehen, ist mindestens seit der Antike bekannt. Heute gibt es sogar Wettbewerbe, in denen wie bei anderen sportlichen Aktivitäten Bestmarken angestrebt werden. Den Weltrekord stellte 2013 Kurt Steiner mit 88 Sprüngen auf. Dabei überbrückte er eine Distanz von fast 100 Metern. Für jemanden, der es mit Mühe auf einige wenige Hopser bringt, klingt das bewundernswert und ernüchternd zugleich. Dass man solche Tricks ausgerechnet mit Steinen versucht, die eigentlich dafür bekannt sind, wegen ihrer großen Dichte unterzugehen, hat vor allem schlicht damit zu tun, dass sie sehr häufig am Rand von Gewässern zu finden sind und so förmlich dazu herausfordern, hineingeschleudert zu »Es fliegt ein Stein (die Hand warf ihn gut) / Kräftig, waagrecht über die Flut / Eine Säule steigt auf, und der Sonne Schein / Malt einen Regenbogen hinein. Und weiter, ein zweites und drittes Mal, Erhebt sich der siebenfarbige Strahl. Aber je weiter vom Ufer entfernt / Der Stein im Fluge das Fliegen verlernt / Eine Schwere zieht ihn, es ebbt seine Kraft / Der Strahl ermattet und erschlafft / Ein Kräuseln noch einmal, ein Tropfen blinkt, Und dann Ruh’ und Stille – der Stein versinkt.« [Theodor Fontane (1819-1898)] werden. Außerdem erfüllen Kiesel eine weitere wichtige Bedingung: Das Wurfobjekt muss möglichst glatt und rund sein. Am Ufer liegen die Steine oft bereits geschliffen herum, nachdem die Flüsse sie auf dem Weg ins Tal lange aneinandergerieben haben. Wenn die mitgeschwemmten Felsbrocken dann auch noch aus dünnen Sedimentgesteinsschichten stammen, dominieren flache Kiesel – perfekt zum Titschen. Um eine solche Scheibe zum Hüpfen zu bringen, kommt es darauf an, ihr durch die Wechselwirkung mit dem Wasser zusätzlich zum Geradeausflug eine Bewegungs- komponente nach oben zu geben. Das ist nur durch eine entsprechende Kraft beim Auftreffen möglich. Denn von dieser hängt es ab, ob das Plättchen untergeht oder genügend stark abprallt. Dafür muss der Stein üblicherweise mit der flachen Seite leicht zur Horizontalen geneigt auf einer niedrigen Wurfbahn auf das Wasser zufliegen. Es sind also zwei Winkel von Bedeutung: der Aufschlagswinkel, den die Bahn des Steinschwerpunkts im Moment des Auftreffens mit der Wasseroberfläche bildet, und der Neigungswinkel, den seine flache Seite zu der Wasseroberfläche einnimmt. 16 AUFSCHLAGSWINKEL EINES STEINS Der als kreisrunde Scheibe idealisierte Stein bewegt sich unter dem Aufschlagswinkel β zur Wasseroberfläche und trifft mit dem hinteren Ende unter dem Neigungswinkel α auf. Er rotiert um die Achse senkrecht zur Kreisfläche. a FS KRÄFTE BEIM AUFSCHLAG EINES STEINS Auf den Stein wirken bei Auftreffen auf dem Wasser ­seine Gewichtskraft FG und die Reaktionskraft des ­Wassers FR. Daraus resultiert eine Kraft FS, die den Stein aus dem Wasser heraus beschleunigt, aber auch seine Vorwärtsbewegung bremst. FR FG SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT, NACH: H. JOACHIM SCHLICHTING b 17 Pirouetten auf dem Wasser Um einen relativ konstanten Neigungswinkel zu erzeugen, hilft ein einfacher und wirkungsvoller Trick: Aus dem Handgelenk heraus verleiht man dem Stein eine möglichst schnelle Drehung um seine vertikale Achse. Durch diesen Effekt wird er zum rotierenden Kreisel. Ein solcher Körper behält seine Rotationslage weitgehend bei. So wird es überhaupt erst möglich, beim Abwurf den Neigungswinkel idealerweise für den gesamten Flug festzulegen. Der so geworfene kreiselnde Stein trifft mit der hinteren Kante zuerst auf. Dabei übt er eine Kraft auf das Wasser aus und setzt es in Bewegung. Dann wirkt eine gleich große Reaktionskraft (Strömungswiderstand), die proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und zur Größe der gemeinsamen Kontaktfläche ist. Solange die Reaktionskraft wegen der anfangs kleinen Berührungsfläche nicht ausreicht, die Gewichtskraft des Steins aufzuheben, taucht er weiter ins Wasser ein. Infolgedessen wächst der Querschnitt, bis sie so groß ist, dass er nicht nur nicht weiter sinkt, sondern auf der inzwischen entstandenen Wasserrampe nach oben beschleunigt wieder aus dem Wasser herausschießt. Damit genau das eintritt, müssen der Aufschlagswinkel und der Neigungswinkel im passenden Größenbereich liegen. Für das erste Abprallen hat man es noch im wörtlichen Sinn ganz in der Hand, die Winkel unabhängig voneinander festzulegen. Danach hängt der Aufschlags- auch vom Neigungswinkel ab, den die Rotation des Steins wiederum weitgehend konstant hält. Soll das platte Geschoss viele Sprünge machen, benötigt es sowohl eine möglichst große Bewegungs- als auch Rotationsenergie, die jeweils proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit von Translation beziehungsweise Rotation ist. Weil diese durch die Muskelkraft des Werfers hervorgebracht werden sowie durch dessen Geschick, sie optimal umzusetzen, gibt es eine natürliche Grenze für die Anzahl der Hüpfer. Es ist sehr wichtig, die Energieverluste des Steins durch Reibung mit dem Wasser zu minimieren. Das läuft vor allem darauf hinaus, die Kontaktzeiten in einem optimalen Bereich zu halten. Sie sollten so kurz wie möglich sein, um den Kiesel wenig abzubremsen, aber doch lang genug, damit die Reaktionskraft für die Sprünge ausreicht. Um das zu errei- chen, müssen Aufschlags- und Neigungswinkel so zueinander passen, dass jedes Mal möglichst maximale Absprunggeschwindigkeit und kleinste Kontaktzeit zusammentreffen. Das Titschen wurde in den letzten Jahren auch Gegenstand systematischer Untersuchungen. Forscher studierten an Modellsteinen aus Aluminiumplättchen bei gegebenen Abmessungen und fester Masse sowohl experimentell als auch theoretisch die optimalen Parameter, um die höchste Anzahl von Sprüngen zu erreichen. So haben sie beispielsweise herausgefunden, dass für einen perfekten Sprung ein Neigungswinkel zur Wasserfläche von etwa 20 Grad nötig ist – und zwar unabhängig von der Translations- und Rotationsgeschwindigkeit. Die wissenschaftlichen Ergebnisse nützen vielleicht auch den Rekordjägern, ihrer Intuition und Erfahrung mit Physik auf die Sprünge zu helfen und aus ihren Würfen noch mehr herauszuholen.  (Spektrum der Wissenschaft, 4/2016) Rosellini, L. et al.: Skipping stones. In: Journal of Fluid Mechanics 543, S. 137-146, 2005 18  AKUSTIK Klangfiguren unter Wasser von Caroline Bauer ISTOCK / STEFAN OGARAU Musikalische Schwingungen lassen sich mit C ­ hladni-Figuren sichtbar machen. Französische ­Forscher haben sie nun erstmals unter Wasser ­beobachtet. 19 A uf einer in sich schwingenden Platte fängt ein Häufchen Sand wie wild an zu tanzen, doch mit der Zeit wird in der scheinbar chaotischen Bewegung Struktur erkennbar: Die Körner wandern zu den Knotenpunkten der Schwingungen, an denen die Platte ruht. Dadurch entstehen je nach den vorherrschenden Tonfrequenzen verschiedene Muster, die chladnischen Klangfiguren. Forscher um Cédric Poulain vom Nanotechnologie-Institut CEA-Leti in Grenoble haben solche Muster nun zum ersten Mal mit einer schwingenden Membran unter Wasser erzeugt. Im Gegensatz zu den klassischen Klangfiguren werden die Partikel dabei jedoch dorthin getragen, wo die Schwingungen am stärksten sind. Das hat zwei Gründe: Bei den klassischen Chladni-Figuren sorgt die Schwerkraft dafür, dass der Sand am Ende dorthin fällt, wo sich die Platte am wenigsten bewegt. Das sind die Knoten der Schwingungen – sie sind unterschiedlich verteilt, je nachdem, wie hoch der Ton ist oder welche Einzelfrequenzen im Gesamtklang vorherrschen. Unter Wasser aber kann der Auftrieb die winzigen Plastikkugeln von 50 bis 70 Mikrometer Durchmesser, die Poulain und seine Kollegen verwendeten, in der Schwebe halten. Darum kommt dort ein zweiter Effekt zum Tragen: Die wenige Mikrometer dünne, schwingende Membran erzeugt im Wasser Strömungen, die die leichten Plastikkugeln von den Schwingungsknoten weg- und zu den Schwingungsbäuchen hintragen, so dass sie »umgekehrte« Chladni-Figuren erzeugen. Im 18. Jahrhundert begründete der Wittenberger Jurist und Physiker Ernest Florens Friedrich Chladni mit seinen Klangfiguren die moderne Akustik und nutzte die Visualisierungen, um Musikinstrumente zu erforschen und zu verbessern. Cédric Poulain und seine Kollegen schlagen nun vor, den umgekehrten Effekt zu verwenden, um biologische Zellen nach ihrem Gewicht zu sortieren und zu trennen. Da sich die Muster durch Drehen am Frequenzregler relativ leicht verändern lassen, könnte das einfacher sein, als im Reinraum an der Umgebungsluft so genannte Microarrays zum Positionieren der Zellen herzustellen. Damit die Unterwasserversuche funktionieren, müssen nicht nur die Kugeln leicht genug, sondern auch die Schwingungseigenschaften der Membran und die Tonfre CÉDRIC POULAIN, CEA-LETI GRENOBLE VIDEO ONLINE ANSEHEN VON DER KLANGFIGUR ZUM UNTERWASSERTANZ Die Klangfiguren entstehen an den Resonanzfrequenzen des Systems. Drehen die Forscher aber die Frequenz von dort ein wenig nach oben, werden die Figuren instabil und die Plastikkugeln beginnen unter Wasser zu tanzen: Sie h­ üpfen von Schwingungsbauch zu Schwingungsbauch. Cédric Poulain und seine Kollegen gaben der Bewegung daraufhin den Namen Farandole, nach dem französischen Tanz. 20

Author Isbn File size 15MB Year 2016 Pages 74 Language German File format PDF Category Chemistry Book Description: FacebookTwitterGoogle+TumblrDiggMySpaceShare Einst war das Wasser das höchste: Fast 3500 Jahre alte Tontafeln aus Griechenland bezeugen den Meeresgott Poseidon als obersten Gott jener Zeit. Auch wenn er diesen Platz später räumen musste, das Wasser hat seine Faszination nie verloren, wie unzählige Geschichten und Kunstwerke bezeugen. Die Erkenntnisse der Wissenschaft, die sich seit der Neuzeit ausführlich mit dem so einfach aufgebauten Molekül befasst, haben den Urstoff des Lebens nicht entzaubert – im Gegenteil. In diesem Kompakt lesen Sie über Forschung aus den letzten Jahren, die immer wieder demonstriert, was für ein eigenwilliger Stoff das Wasser tatsächlich ist. Flüssiges Wasser erweist sich als klumpig, und Quanteneffekte helfen ihm durch feste Kristalle hindurch. Eis – gefrorenes Wasser – gibt es in diversen Kristallvarianten, und schon unsere bekannte Eisform steckt voller Überraschungen.     Download (15MB) Leopold Gmelin (1788 – 1853) Zufrieden Sein: …probieren Sie Es Aus Srebrenica: Chronologie Eines Völkermords Oder Was Geschah Mit Mirnes Osmanovi? Die Dongdong-tänzerin Und Der Sichuan-koch: Geschichten Aus Der Chinesischen Wirklichkeit Rohkost Für Einsteiger Load more posts

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