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Schwerkraft ist nicht alles
Kopfball vom 9. Januar 2000


Nicht nur die Astronauten im All können frei jeglicher Schwerkraft ihren Flug genießen. Auch bei Kopfball gibt es - zumindest für Kerzen und Glyzerin - kurze Momente schwereloser Glücksgefühle...
Dafür sind aber einige Vorbereitungen nötig:
Auf die Membran eines Lautsprechers wurde ein Glasrohr von zwei Zentimeter Durchmesser geklebt. In das Röhrchen wird eine relativ zähflüssige (viskose) Flüssigkeit - nämlich Glyzerin - eingefüllt. Wenn man nun das Röhrchen zur Seite neigt, fließt das Glyzerin im Glasrohr entlang. Klar, dass es auslaufen würde, wenn man den Lautsprecher noch mehr neigen würde.
Aber wir haben ihnen ja versprochen: Kerzen und Glyzerin müssen bei uns nicht auf den Boden fallen. Wenn man den Lautsprecher einschaltet und mit einer bestimmten Tonhöhe (Frequenz) und Lautstärke (Amplitude) betreibt, kann man den Lautsprecher vollständig umdrehen. Es läuft keine oder aber nur ganz wenig Glyzerin aus dem Glasrohr heraus.

 





Warum läuft die Flüssigkeit nicht aus dem Glasrohr heraus, wenn der Lautsprecher betrieben wird?



Tasten wir uns langsam an das Wunder der Schwerelosigkeit heran und betrachten erst einmal die Anordnung, wenn das Rohr noch nach oben zeigt. Wie bei jeder Flüssigkeit, die in der Lage ist eine Oberfläche zu benetzen, steigt die Flüssigkeit an der Rohrwand ganz leicht an. Man bezeichnet diesen Effekt als Kapillarität. Dieser Kapillarkraft wirken die Schwerkraft und die Oberflächenspannung entgegen. Die Schwerkraft (Gravitation) "zieht" die Teilchen nach unten und die Oberflächenspannung "versucht", die Oberfläche immer möglichst klein zu halten. Diese drei Kräfte stehen in einem Gleichgewicht zu einander, so dass die Flüssigkeit nur zu einem gewissen Grad an der Gefäßwand nach oben steigt.




Dreht man nun die Anordnung herum, kann man sich vorstellen, dass sich an einer Seite ein Tropfen bildet, der auf Grund der Gravitationskraft zum Boden hin beschleunigt wird:


Schließlich müsste die Flüssigkeit aus dem Glas auslaufen. Anders ist dies aber, wenn der Lautsprecher in Betrieb ist:
Beginnt sich jetzt gerade ein Tropfen in der hochviskosen Flüssigkeit zu bilden und es folgt eine Abwärtsbewegung der Lautsprechermembran, dann geschieht Folgendes:
Durch die schnelle Abwärtsbewegung der Membran, wird das Rohr mit der Flüssigkeit stark zum Boden hin beschleunigt. Diese Beschleunigung ist mindestens genauso groß, wie die durch die Gravitation verursachte Beschleunigung des Glyzerins. Man kann also sagen: Das Röhrchen befindet sich (wenn auch nur sehr kurz) im freien Fall, so dass keine Gravitationskraft mehr auf die Flüssigkeit wirkt. Der Tropfen, der sich zuerst gebildet hat, wird sich also wieder zurückbilden: Die Oberflächenspannung "versucht" nämlich, die Oberfläche möglichst klein zu halten, so dass der Tropfen sozusagen wieder zurück gesaugt wird.
Nun schließt sich natürlich direkt wieder eine Aufwärtsbewegung der Lautsprechermembran an. Jetzt wird die Wirkung der Gravitation sogar noch verstärkt. Trotzdem bildet sich kein größerer Tropfen aus als zu Beginn: Die Ausbildung eines Tropfens benötigt nämlich eine gewisse Zeit. Ist die Aufwärtsbewegung also nur von kurzer Dauer, bleibt die Flüssigkeit weiter im Röhrchen und fließt nicht heraus.



Kapillarkraft: Wenn Wasser entgegen der Anziehungskraft der Erde in einem Löschpapier oder Schwamm hochsteigt, haben wir es mit der Kapillarkraft zu tun. Sie wirkt sich nur in so genannten Kapillaren (lat. capillus = Haar) aus: Das sind sehr feine, meist lang gestreckte Hohlräume: z.B. Röhrchen mit kleinen Innendurchmessern oder Leitungsbündel in Pflanzen.
Der Effekt bewirkt, dass eine benetzende Flüssigkeit wie Wasser in einem schmalen Röhrchen höher steigt als im umgebenden Gefäß:




Wie kann es dazu kommen?
Die einzelnen Wassermoleküle sind untereinander gebunden (Kohäsion). Am Gefäßrand gibt es aber auch einen Zusammenhalt zwischen Wasser und Wand (Adhäsion). Wenn nun die Adhäsionskräfte größer als die Kohäsionskräfte sind, steigt die Flüssigkeit im Röhrchen nach oben ("Kapillaraszension").
Unter Bedingungen der Schwerelosigkeit können Flüssigkeiten alleine durch die Wirkung von Kohäsions- und Adhäsionskräften befördert werden. Unter dem Einfluss der Gravitationskraft wird dieser Effekt durch den hydrostatischen Druck überlagert. Das ist der Grund, wieso er nur in sehr dünnen Röhrchen in Erscheinung tritt. Die maximale Steighöhe ergibt sich aus dem Gleichgewicht der Kapillarkraft mit der Gewichtskraft der angehobenen Flüssigkeitsmenge.
Die Kapillarität des Bodens ist für den Wassergehalt des Bodens und für den Wassertransport zu den Wurzeln wichtig. Die Kapillarität bewirkt zusammen mit dem osmotischen Druck ein Aufsteigen der Säfte in den Pflanzen.
Wie arbeitet ein einfacher Lautsprecher? In einem Lautsprecher werden Stromschwankungen in Schallschwingungen umgewandelt: Eine von Wechselstrom durchflossene Zylinderspule schwingt im Magnetfeld eines Dauermagneten. Diese Schwingspule ist an einer Lautsprechermembran befestigt, die diese Bewegungen als Schallwelle an die umgebende Luft weitergibt.

Wie schnell ist der Schall? In der Luft breitet sich der Schall mit 331 m/s aus; das entspricht 1191,6 km/h. Unter Wasser ist der Schall mehr als viermal so schnell: Er schafft dort 1464 m/s (=5270,4 km/h).

Ein weiteres Experiment zur "Überwindung der Schwerkraft" finden sie hier.

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