Das „Knacken“ der Eiswürfel

So langsam erreichen wir teilweise schon wieder sommerliche Temperaturen, so dass man doch gerne mal zu einem gut gekühlten Getränk greift. Direkt aus dem Kühlschrank ist das kein Problem. Was aber wenn das favorisierte Getränk nicht im Kühlschrank stand? Oft werden dann Eiswürfel aus dem Gefrierfach herangezogen, um das Getränk etwas abzukühlen. Wer beim Eintauchen der Eiswürfel in das Getränk schon einmal genau hingehört hat, der hat sicherlich ein signifikantes „Knacken“ wahrgenommen. Aber warum knacken Eiswürfel, wenn man sie in ein Getränk gibt?

Im Grunde liegt das an der Tatsache, dass sich Eis genau wie jeder andere Stoff mit einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammen zieht. Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte des Eises ab und es dehnt sich aus. Soweit ganz normal, aber was hat das mit dem „Knacken “ zu tun? Ein Eiswürfel, der aus dem Gefrierfach kommt, hat etwa eine Temperatur von -18 °C. Ein Getränk bei Raumtemperatur etwa 20 °C. Kommt das Eis nun in Kontakt mit dem Getränk, wärmt es sich auf. Allerdings erst einmal nur die äußere Schicht des Eiswürfels. Bis die Wärme des Getränks ins Innere des Würfels gelangt dauert es einige Sekunden. Die äußere Schicht, die jetzt wärmer geworden ist, dehnt sich aus, wobei der Kern des Würfels immer noch kalt und kompakt ist. Die nicht gleichmäßige Ausdehnung des Eises sorgt dafür, dass Spannungen im Eiswürfel auftreten und schlagartig Risse entstehen. Genau das hört man dann als leises Knacken. Wer genau hin schaut, kann die Risse im Eiswürfel auch sehen.

Bei bereits sehr kalten Getränken passiert das nicht oder nur deutlich schwächer. Der geringere Temperaturunterschied zwischen Getränk und Eis lässt die äußere Schicht des Würfels weniger schnell erwärmen und die entstehenden Spannungen sind geringer. Auch wenn der Eiswürfel gerade so erst gefroren ist oder bereits länger außen liegt, wird kein Knacken zu hören sein. In beiden Fällen hat das Eis nämlich nur etwas weniger als 0 °C. Wenn nun die äußere Schicht erwärmt wird, schmilzt sie einfach zu Wasser und hat somit keinen Einfluss mehr auf den Rest des Würfels.

Wenn du dir das nächste Mal ein kühles Getränk gönnst und Eiswürfel benutzt, kannst du ja mal genau hinhören und herausfinden, ob der Temperaturunterschied groß genug ist um das „Knacken“ hervorzurufen.

 

Quellen:

https://www.ja-gut-aber.de/warum-knacken-eiswuerfel-in-getraenken/

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Wie entsteht ein Gewitter?

Im letzten Beitrag ging es um die Entstehung eines Tornados in einer Gewitterwolke. Diese Woche geht es darum, wie denn eine solche Gewitterwolke und die zu einem Gewitter gehörigen Phänomene wie Blitz und Donner entstehen.

Als Grundvoraussetzung wird warme, feuchte Luft in Bodennähe benötigt. Das ist der Hauptgrund, warum Gewitter meist im Sommer stattfinden. Diese warme Luft steigt auf Grund geringerer Dichte nach oben. Auf dem Weg nach oben kühlt sie sich ab. Ab einem gewissen Punkt fängt die Feuchtigkeit in der Luft an zu kondensieren und es bildet sich eine Wolke. Bei der Kondensation des Wassers wird allerdings weitere Wärme frei, die die Luftmasse weiter nach oben steigen lässt. Das Ganze passiert bis zu einem Höhenbereich in dem es so kalt ist, dass die Wassertropfen anfangen zu gefrieren. Die Eiskristalle fallen dann in der Wolke nach unten, können aber durch den in der Wolke herrschenden Aufwind wieder nach oben transportiert werden. Dabei wachsen sie immer weiter an bis sie letztendlich so groß sind, dass der Aufwind sie nicht mehr mitreißen kann und sie als Hagel, Graupel oder große Regentropfen auf die Erde fallen. Durch das ständige Hoch und Runter der Eiskristalle und Wassertropfen in der Wolke lässt sich nicht verhindern, dass diese auch aneinander stoßen und reiben. Dabei können von den aufsteigenden Tropfen Elektronen an die herabfallenden Eiskristalle abgegeben werden. Durch eine hohe Häufigkeit dieses Prozesses in der Wolke entsteht ein Ladungsfeld mit einem Elektronenüberschuss am unteren Ende (Minuspol) und einer Elektronenarmut am Kopf der Wolke (Pluspol). Diese Ladungen in der Wolke interagieren nun auch mit der Erdoberfläche. Hier gilt das allgemeine physikalische Gesetz: „Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt sich ab“. Die negativ geladene Unterseite der Wolke erzeugt dadurch eine positive Ladung auf der darunter liegenden Erdoberfläche. Die Elektronen werden dort von den Elektronen der Wolke abgestoßen und es entsteht auch hier eine Elektronenarmut (Pluspol). Zwischen dem Minuspol der Wolke, der durch weitere Ladungstrennung in der Wolke immer stärker wird, und dem Pluspol auf der Erdoberfläche herrscht nun eine Spannung. Diese Spannung kann übrigens mehrere hundert Millionen Volt betragen. Wenn die Spannung groß genug ist kann sie sich in Form eines Blitzes entladen. Die kritische Spannung die überwunden werden muss liegt bei etwa 170.000 Volt pro Meter Abstand zwischen Wolke und Erdoberfläche. Blitze können allerdings auch zwischen Wolken oder innerhalb einer Wolke entladen werden. Hierfür sind etwas geringere Spannungen nötig. Deshalb ereignet sich ein Großteil der Blitze in den Wolken und nur ein geringer Teil geht bis auf die Erde.

Ein Blitz ist in der Lage die Luft auf extrem hohe Temperaturen zu erwärmen. Die Luft unmittelbar um den Blitzkanal wird schlagartig auf bis zu 30.000°C erhitzt. Die erhitzte Luft breitet sich dabei explosionsartig aus und bildet eine Druckwelle. Diese Druckwelle vernehmen wir als Donner wenn sie unser Ohr erreicht. Durch verschieden Einflüsse auf dem Weg zu uns kann der Donnerton in eine längeres „Grollen“ verzerrt werden.

Das faszinierende Phänomen Gewitter beinhaltet natürlich noch viel mehr Details aber ich denke mit dem oben Beschriebenen kann man sich ungefähr ein Bild davon machen was sich in und um einer Gewitterwolke herum abspielt.

 

Quellen:

http://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/gewitterblitze/

https://www.nela-forscht.de/2011/06/08/wie-entsteht-ein-gewitter/

Warum kräuselt sich Geschenkband?

Endlich ist wieder Weihnachten. Alle kaufen sich gegenseitig Geschenke. In den meisten Fällen werden diese Geschenke schön verpackt und verziert. Oft wird auch ein Geschenkband um das Geschenk gewickelt und am Schluss kommt eine Schleife drauf. Da die losen Enden der Schleife sehr langweilig aussehen greift man gerne zur Schere, zieht diese einmal  über das freie Geschenkband und siehe da – das Geschenkband kräuselt sich und sieht somit deutlich schöner aus. Aber hast du dich schon einmal gefragt warum sich das Geschenkband kräuselt, wenn man es über die Klinge einer Schere zieht?

Oft wird behauptet, dass durch das Ziehen über die Klinge und die daraus resultierende Reibung Wärme entsteht. Diese Wärme soll dann die Struktur des Kunststoffes auf der einen Seite beeinflussen, wodurch diese Seite sich zusammen zieht und das Band sich kräuselt. Diese Theorie lässt sich allerdings schnell widerlegen, indem man das Band sehr langsam über die Klinge zieht. Durch das langsame ziehen ist die Reibung nur sehr gering und es entsteht quasi keine Wärme. Das Geschenkband kräuselt sich aber trotzdem. An der Wärme kann es also nicht liegen.

Tatsächlich gab es wissenschaftliche Studien zu diesem Thema, die den Unterschied von gekräuseltem und glatten Geschenkband unter einem hochauflösenden Mikroskop untersucht haben. Die Oberfläche des nicht gekräuselten Bandes ist sehr glatt und homogen. An einer Stelle, an der das Band über eine Klinge gezogen wurde, sieht man unterm Mikroskop bei sehr starker Vergrößerung eine Art Berg und Tal Landschaft, die einem Wellengang auf dem Meer ähnelt. Die Erklärung für diese Struktur ist, dass die Klinge der Schere immer wieder Material von dem Band abkratzt, welches sich dann an anderer Stelle angehäuft wieder anlagert. So entsteht auf mikroskopischer Ebene diese wellenartige Struktur. Durch das Abtragen beim ziehen über die Klinge entstehen auf der einen Seite des Bandes Spannungen, die ein Zusammenziehen dieser Seite zur Folge haben. Daraus resultiert dann die gekräuselte Form des Geschenkbandes.

Wenn du jetzt zu Weihnachten deine Geschenke einpackst und das Geschenkband am Ende noch über die Schere ziehst, weißt du auch warum es sich so merkwürdig kräuselt.

Der „Schlag“ von der Türklinke – Woher kommt das und wie kann man es verhindern?

Einen „Schlag“ von der Türklinke oder der Autotür hat glaube ich jeder schon einmal bekommen. Und jedes Mal denkt man sich: „Mist schon wieder.“ Doch wie kommt es überhaupt dazu und kann man irgendetwas dagegen tun?

Zuerst zur Entstehung:

Grundsätzlich gilt: Jeder Gegenstand besitzt elektrisch geladene Teilchen. Es gibt negative Ladungen (Elektronen) und positive (Protonen). Ein neutraler Körper besitzt die gleiche Anzahl an Elektronen und Protonen, das heißt die Ladungen gleichen sich aus. Nun ist es allerdings möglich, dass Elektronen von einem auf einen anderen Körper oder Gegenstand übergehen. Der Gegenstand, der die Elektronen abgibt hat nun mehr Protonen also Elektronen und ist somit positiv geladen. Bei dem Anderen ist es genau anders herum und er wird negativ geladen.

Jetzt gibt es Materialien, die Strom (Strom ist nichts anderes als Elektronen) leiten und solche, die Strom nicht leiten. Wenn nun zwei Nichtleiter aneinander gerieben werden, kann es zu einem Ladungsaustausch kommen und die Elektronen gehen von einem zum anderen Gegenstand über. Trennt man die beiden Gegenstände jetzt, ist der Eine positiv geladen und der Andere negativ. Diese Ladungen werden so lange „herumgetragen“, bis Kontakt zu einem Leiter hergestellt wird, über den die Ladung wieder ausgeglichen werden kann. Das geschieht über einen kleinen Funken. Passiert das Ganze nun mit einem menschlichen Körper, weil er an synthetischer Kleidung reibt, über einen Kunststoffteppich läuft oder auf dem Autositz hin und her rutscht, spüren wir genau diesen Funken beim berühren der Türklinke oder der Autotür (beides aus Metall, also Leiter). Bei so einer Entladung treten Spannungen von 10.000 bis 30.000 Volt auf, die Stromstärke ist allerdings sehr gering. Somit sind die Stromschläge zwar unangenehm aber völlig harmlos. Den Funken kann man übrigens sehen. Es muss nur ausreichen dunkel sein. Das gleiche Phänomen erzeugt auch das „Knistern“ beim ausziehen eines Pullis. Hier reiben die Haare an den Kunststoffasern und es entstehen viele kleine Funken.

Jetzt willst du sicherlich noch wissen wie man das verhindern kann!

Bei dem Verdacht, dass beim Berühren der Türklinke ein Stromschlag bevor steht, nimmt man einfach einen metallenen Gegenstand (z.B. einen Schlüssel) in die Hand und berührt damit erst einmal den Griff. Der Funke springt dann vom Schlüssel auf die Klinke über, was man wenn dann nur sehr abgeschwächt spürt.

Begünstigt wird das Phänomen auch durch trockene Luft. Diese ist selbst nicht leitend. Feuchtere Luft hingegen ist in der Lage die Ladungen vorher schon abzuleiten. Davon bekommt man allerdings nichts mit und der Funkensprung findet gar nicht erst statt.

Was lernen wir daraus?! – Raumluft nicht zu trocken werden lassen und immer einen Schlüssel parat haben 😉