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#schongewusst: So funktioniert das Exponat „Wassertropfen“

Die kurzweilige Schönheit eines fallenden Wassertropfens in einer Momentaufnahme zu fixieren – daran können sich unsere Gäste am Exponat „Wassertropfen“ ausprobieren. Je nach Aufnahmezeitpunkt lassen sich unterschiedliche Formen des Tropfens erspähen: die Tränenform während der Ablösung, die Kugelform des Tropfens, während er fällt, und die pilzartige Ausstülpung der Wasseroberfläche, nachdem der Tropfen mit dem Wasser in der Tasse verschmolzen ist.

Aber wieso verhält sich das Wasser so „zäh“? Warum fällt der Tropfen als Kugel? Die Kugelform ist kein Zufall, denn so hat das Wasser eine minimale Oberfläche im Verhältnis zu seinem Volumen und befindet sich auf diese Weise in seinem energiegünstigsten Zustand, wenn er von Luft umgeben ist. Die Moleküle des Wassers ziehen sich nämlich untereinander an (Kohäsion), wodurch eine Oberflächenspannung entsteht, wenn Wasser auf eine andere Phase wie Gas (Luft) trifft. Diese Spannung ist der Widerstand gegen eine „unnötige“ Vergrößerung der Wasseroberfläche. Aber wie kommt das?

Die Moleküle des Wassers (H2O) haben aufgrund ihrer innermolekularen asymmetrischen Ladungsverteilung einen Dipolcharakter, was dazu führt, dass sie sich untereinander (zwischenmolekular) anziehen (Kohäsion).

Inwiefern ergibt sich nun die eingangs erwähnte Oberflächenspannung aus der Kohäsion des Wassers? Auf den fallenden Wassertropfen wirkt keine resultierende Kraft: Es herrscht jedoch ein erhöhter Druck im Tropfeninneren – so wie auch bei einer Seifenblase. Der Tropfen ist vom Medium „Luft“ umgeben.

Ein im Inneren des Wassertropfens befindliches Wassermolekül ist von allen Seiten von weiteren Wassermolekülen umgeben, die jeweils eine gleich große Anziehung auf dieses eine Molekül aus unterschiedlicher Richtung ausüben (siehe Abb. 3, A), wodurch sich diese Anziehungskräfte gegenseitig die Waage halten.

Mehr Beiträge aus der Reihe #schongewusst gibt es hier!

Anders sieht es an der Grenzfläche zur Luft aus: An der Oberfläche gelegene Wassermoleküle sind (fast) keiner Anziehung von oben ausgesetzt, da sich dort Luft befindet. Dadurch findet kein Kräfteausgleich statt und die Moleküle sind einem Sog zum Wasserinneren ausgesetzt. Um also an die Oberfläche zu gelangen, müsste ein Wassermolekül „Arbeit verrichten“, um gegen diese nach innen gerichtete Kraft anzukommen. Vereinfacht kann dadurch gesagt werden, dass Moleküle an der Oberfläche „eine höhere Energie haben“. Auch für Wasser ist das Streben nach einem Zustand der niedrigsten Energie oberstes Gebot, wodurch es so wenig energieaufwendige Oberflächenmoleküle wie möglich aufweisen „will“.

Die Kugelform des Tropfens ist also das Resultat der Minimierung der Oberfläche im Verhältnis zum Wasservolumen, sobald er sich abgelöst hat.

#schongewusst: So funktioniert das Exponat „Wassertropfen“

Die kurzweilige Schönheit eines fallenden Wassertropfens in einer Momentaufnahme zu fixieren – daran können sich unsere Gäste am Exponat „Wassertropfen“ ausprobieren. Je nach Aufnahmezeitpunkt lassen sich unterschiedliche Formen des Tropfens erspähen: die Tränenform während der Ablösung, die Kugelform des Tropfens, während er fällt, und die pilzartige Ausstülpung der Wasseroberfläche, nachdem der Tropfen mit dem Wasser in der Tasse verschmolzen ist.

Aber wieso verhält sich das Wasser so „zäh“? Warum fällt der Tropfen als Kugel? Die Kugelform ist kein Zufall, denn so hat das Wasser eine minimale Oberfläche im Verhältnis zu seinem Volumen und befindet sich auf diese Weise in seinem energiegünstigsten Zustand, wenn er von Luft umgeben ist. Die Moleküle des Wassers ziehen sich nämlich untereinander an (Kohäsion), wodurch eine Oberflächenspannung entsteht, wenn Wasser auf eine andere Phase wie Gas (Luft) trifft. Diese Spannung ist der Widerstand gegen eine „unnötige“ Vergrößerung der Wasseroberfläche. Aber wie kommt das?

Die Moleküle des Wassers (H2O) haben aufgrund ihrer innermolekularen asymmetrischen Ladungsverteilung einen Dipolcharakter, was dazu führt, dass sie sich untereinander (zwischenmolekular) anziehen (Kohäsion).

Inwiefern ergibt sich nun die eingangs erwähnte Oberflächenspannung aus der Kohäsion des Wassers? Auf den fallenden Wassertropfen wirkt keine resultierende Kraft: Es herrscht jedoch ein erhöhter Druck im Tropfeninneren – so wie auch bei einer Seifenblase. Der Tropfen ist vom Medium „Luft“ umgeben.

Ein im Inneren des Wassertropfens befindliches Wassermolekül ist von allen Seiten von weiteren Wassermolekülen umgeben, die jeweils eine gleich große Anziehung auf dieses eine Molekül aus unterschiedlicher Richtung ausüben (siehe Abb. 3, A), wodurch sich diese Anziehungskräfte gegenseitig die Waage halten.

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Anders sieht es an der Grenzfläche zur Luft aus: An der Oberfläche gelegene Wassermoleküle sind (fast) keiner Anziehung von oben ausgesetzt, da sich dort Luft befindet. Dadurch findet kein Kräfteausgleich statt und die Moleküle sind einem Sog zum Wasserinneren ausgesetzt. Um also an die Oberfläche zu gelangen, müsste ein Wassermolekül „Arbeit verrichten“, um gegen diese nach innen gerichtete Kraft anzukommen. Vereinfacht kann dadurch gesagt werden, dass Moleküle an der Oberfläche „eine höhere Energie haben“. Auch für Wasser ist das Streben nach einem Zustand der niedrigsten Energie oberstes Gebot, wodurch es so wenig energieaufwendige Oberflächenmoleküle wie möglich aufweisen „will“.

Die Kugelform des Tropfens ist also das Resultat der Minimierung der Oberfläche im Verhältnis zum Wasservolumen, sobald er sich abgelöst hat.