Wissenschaftliche Entdeckungen erfordern nicht immer ein High-Tech-Labor oder ein großes Budget. Viele Menschen haben zu Hause ein erstklassiges Labor: ihre Küche.
Die Küche bietet viele Möglichkeiten, das zu visualisieren und zu erforschen, was Physiker weiche Materie und komplexe Flüssigkeiten nennen. Alltägliche Phänomene wie das Verklumpen von Cheerios in Milch oder die Ringe, die beim Verdunsten von Kaffeetropfen entstehen, haben zu Entdeckungen an der Schnittstelle von Physik und Chemie und anderen geschmackvollen Kooperationen zwischen Lebensmittelwissenschaftlern und Physikern geführt.
Zwei Studenten, Sam Christianson und Carsen Grote, und ich haben im Mai 2024 in Nature Communications eine neue Studie veröffentlicht, die sich mit einer weiteren Beobachtung des Kochens befasst. Wir haben untersucht, wie Objekte in gasförmigen Flüssigkeiten schweben können, ein Phänomen, das skurril als tanzende Rosinen bezeichnet wird.
Die Studie untersuchte, wie Objekte wie Rosinen in gasförmigen Flüssigkeiten mehrere Minuten oder sogar eine Stunde lang rhythmisch steigen und fallen können.
Ein Twitter-Thread, der unsere Forschung begleitete, ging viral und verzeichnete in nur zwei Tagen mehr als eine halbe Million Aufrufe. Warum hat dieses besondere Erlebnis die Fantasie so vieler Menschen angeregt?
Kochende Physik
Mineralwasser und andere kohlensäurehaltige Getränke sprudeln vor Blasen, weil sie mehr Gas enthalten, als die Flüssigkeit verarbeiten kann – sie sind mit Gas „übersättigt“. Wenn Sie eine Flasche Champagner oder ein Erfrischungsgetränk öffnen, sinkt der Flüssigkeitsdruck und CO₂-Moleküle beginnen, in die Umgebungsluft zu entweichen.
Blasen bilden sich in einer Flüssigkeit im Allgemeinen nicht spontan. Eine Flüssigkeit besteht aus Molekülen, die gerne zusammenkleben, daher sind die Moleküle an der Grenze der Flüssigkeit etwas unzufrieden. Dadurch entsteht eine Oberflächenspannung, eine Kraft, die darauf abzielt, die Oberfläche zu verkleinern. Da Blasen die Oberfläche vergrößern, führen Oberflächenspannung und Flüssigkeitsdruck normalerweise dazu, dass die sich bildenden Blasen verschwinden.
Aber raue Kanten auf der Oberfläche eines Behälters, wie die Gravuren auf manchen Champagnergläsern, können neue Blasen vor der erdrückenden Wirkung der Oberflächenspannung schützen und ihnen so die Möglichkeit geben, sich zu bilden und zu wachsen.
Auch in den mikroskopisch kleinen röhrenförmigen Fasern, die nach dem Abwischen eines Glases mit einem Handtuch zurückbleiben, bilden sich Blasen. Auf diesen Röhren wachsen stetig Blasen, die, sobald sie groß genug sind, abbrechen, nach oben schweben und das Gas aus dem Behälter befördern.
Aber wie viele Champagnerliebhaber, die Früchte in ihre Gläser füllen, wissen, sind Oberflächenätzungen und kleine Stofffasern nicht die einzigen Orte, an denen sich Blasen bilden können. Auch das Hinzufügen eines kleinen Gegenstands wie einer Rosine oder einer Erdnuss zu einem kohlensäurehaltigen Getränk führt zur Blasenbildung. Diese untergetauchten Objekte fungieren als attraktive neue Oberflächen, die es opportunistischen Molekülen wie CO₂ ermöglichen, sich anzusammeln und Blasen zu bilden.
Und sobald sich genügend Blasen auf dem Objekt gebildet haben, kann ein Levitationsvorgang durchgeführt werden. Zusammen können die Blasen das Objekt an die Oberfläche der Flüssigkeit heben. Sobald die Blasen an der Oberfläche sind, platzen sie und geben den Gegenstand nach unten frei. Dann beginnt der Prozess von neuem, in einer periodischen vertikalen Tanzbewegung.
Tanzende Trauben
Rosinen sind besonders gute Tänzer. Es dauert nur wenige Sekunden, bis sich auf der faltigen Oberfläche einer Rosine genügend Blasen gebildet haben, bevor sie anfängt, nach oben zu steigen – auf glatteren Oberflächen ist es schwieriger, Blasen zu bilden. Wenn eine Rosine in frisch geöffnetes Mineralwasser getaucht wird, kann sie 20 Minuten lang einen kräftigen Tango tanzen und dann etwa eine Stunde lang einen langsameren Walzer.
Wir fanden heraus, dass das Drehen bzw. Drehen von entscheidender Bedeutung ist, um große Objekte zum Tanzen zu bringen. Blasen, die an der Unterseite eines Objekts haften, können es in der Luft halten, selbst wenn die Blasen an der Oberseite platzen. Aber wenn das Objekt auch nur ein wenig zu rotieren beginnt, bewirken die Blasen darunter, dass sich der Körper noch schneller dreht, was dazu führt, dass noch mehr Blasen an die Oberfläche platzen. Und je früher diese Blasen entfernt werden, desto eher kann das Objekt seinen vertikalen Tanz wieder aufnehmen.
Kleine Objekte wie Rosinen drehen sich nicht so stark wie größere Objekte, sondern drehen sich und wackeln schnell hin und her.
Funkelnden Flamenco modellieren
In diesem Artikel haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, um die Anzahl der Fahrten zur Oberfläche vorherzusagen, die wir von einem Objekt wie einer Rosine erwarten würden. In einem Experiment platzierten wir eine 3D-gedruckte Kugel, die als Rosinenmodell diente, in einem frisch geöffneten Glas Mineralwasser. Die Kugel bewegte sich in einer Stunde mehr als 750 Mal vom Boden des Behälters nach oben.
Das Modell berücksichtigt die Blasenwachstumsrate sowie die Form, Größe und Rauheit der Objektoberfläche. Er berücksichtigte auch, wie schnell die Flüssigkeit aufgrund der Geometrie des Behälters an Kohlensäure verliert, einschließlich der Strömung, die durch die sprudelnde Aktivität entsteht.
Mithilfe des mathematischen Modells konnten wir ermitteln, welche Kräfte den Tanz des Objekts am stärksten beeinflussen. Beispielsweise stellte sich heraus, dass der Widerstand der Flüssigkeit auf dem Objekt relativ unwichtig war, das Verhältnis der Oberfläche des Objekts zu seinem Volumen jedoch entscheidend war.
Mit Blick auf die Zukunft bietet das Modell auch eine Möglichkeit, einige schwer zu messende Größen mithilfe einfacher zu messender Größen zu bestimmen. Wenn wir beispielsweise einfach die Tanzfrequenz eines Objekts beobachten, können wir auf mikroskopischer Ebene viel über seine Oberfläche erfahren, ohne diese Details direkt sehen zu müssen.
Verschiedene Tänze in verschiedenen Theatern
Diese Ergebnisse sind nicht nur für Fans von Softdrinks interessant. Auch in der Natur gibt es übersättigte Flüssigkeiten, zum Beispiel Magma.
Wenn das Magma eines Vulkans näher an die Erdoberfläche steigt, sinkt der Druck schnell und gelöste Gase aus dem Inneren des Vulkans strömen zum Ausgang, genau wie CO₂ in kohlensäurehaltigem Wasser. Diese austretenden Gase können unter hohem Druck große Blasen bilden und mit solcher Kraft austreten, dass es zu einem Vulkanausbruch kommt.
Partikel im Magma tanzen möglicherweise nicht auf die gleiche Weise wie Rosinen in Sodawasser, aber winzige Objekte im Magma können die Entwicklung dieser explosiven Ereignisse beeinflussen.
In den letzten Jahrzehnten gab es auch einen Ausbruch anderer Art: Tausende wissenschaftliche Studien widmeten sich aktiver Materie in Flüssigkeiten. Diese Studien konzentrieren sich insbesondere auf schwimmende Mikroorganismen und das Innere unserer mit Flüssigkeit gefüllten Zellen.
Die meisten dieser aktiven Systeme existieren nicht im Wasser, sondern in komplexeren biologischen Flüssigkeiten, die die zur Erzeugung von Aktivität erforderliche Energie enthalten. Mikroorganismen nehmen Nährstoffe aus der sie umgebenden Flüssigkeit auf, um weiter zu schwimmen. Molekulare Motoren transportieren Güter entlang einer Autobahn in unseren Zellen, indem sie der Umgebung Energie in Form von ATP entziehen.
Die Untersuchung dieser Systeme kann Wissenschaftlern dabei helfen, mehr darüber zu erfahren, wie Zellen und Bakterien im menschlichen Körper funktionieren und wie sich das Leben auf diesem Planeten zu seinem heutigen Zustand entwickelt hat.
Unterdessen kann sich eine Flüssigkeit aufgrund ihrer unterschiedlichen molekularen Zusammensetzung und der darin bewegenden Körper seltsam verhalten. Viele neue Studien haben sich auf das Verhalten von Mikroorganismen in Flüssigkeiten wie beispielsweise Schleim konzentriert, der sich sowohl wie eine viskose Flüssigkeit als auch wie ein elastisches Gel verhält. Wissenschaftler müssen noch viel über diese sehr komplexen Systeme lernen.
Obwohl Rosinen in Sprudelwasser im Vergleich zu in biologischen Flüssigkeiten schwimmenden Mikroorganismen recht einfach erscheinen, bieten sie eine leicht zugängliche Möglichkeit, generische Merkmale in diesen anspruchsvolleren Kontexten zu untersuchen. In beiden Fällen entziehen Körper ihrer komplexen flüssigen Umgebung Energie und beeinflussen diese, was zu faszinierenden Verhaltensweisen führt.
Neue Erkenntnisse über die physikalische Welt, von der Geophysik bis zur Biologie, werden weiterhin aus Experimenten auf dem Tisch – und vielleicht sogar direkt in der Küche – entstehen.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Saverio Eric Spagnolie, Universität von Wisconsin-Madison
Erfahren Sie mehr:
Diese Forschung wurde vom Büro des Vizekanzlers für Forschung und Graduiertenausbildung mit Mitteln der Wisconsin Alumni Research Foundation und durch Spenden an das Applied Mathematics, Engineering, and Physics (AMEP)-Programm der University of Wisconsin unterstützt . Madison.