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ForscherInnenwerkstatt Physik
Aufgabe 5
Lösung:
Graz, 12-2015
Versuche mit Wachs und Kork
Zur Erklärung benötigt man diese physikalischen Begriffe:
Oberflächenspannung, Oberflächenenergie, Benetzbarkeit, Randwinkel
1.1
Bei einer hohl (konkav) gekrümmten Wasseroberfläche bewegt sich das Korkstück nach einiger Zeit
zum Rand, an die höchste Stelle. Siehe Abb. 1.
1.2
Das Wachsstück verhält sich umgekehrt, es schwimmt nach einiger Zeit in die Mitte, an die tiefste
Stelle. Siehe Abb. 2
1.3
Bei einer nach außen gewölbten (konvexen) Wasseroberfläche bewegt sich das Korkstück langsam in
Richtung Mitte des Bechers, siehe Abb. 3.
1.4
Bei einer konvexen Wasseroberfläche schwimmt das Wachsstück in die umgekehrte Richtung, nach
außen an den Rand. Siehe Abb. 4
1.5
Erklärung:
1.
Eine mögliche Erklärung ist, dass die Gewichtskraft die Bewegung verursacht. Dem wider
spricht allerdings das Verhalten des Korks in Abb. 1 und 3 .
2.
Zwischen den Wassermolekülen bzw. zwischen Wasser und Gefäßwand herrschen zusammenhaltende Kräfte, diese wirken an der Oberfläche parallel zu dieser und erzeugen so die Oberflächenspannung. Diese erzeugt eine Oberflächenenergie, die immer zum Zustand kleinster Energie
führt. Das ist gleich bedeutend mit der Bildung der kleinstmöglichen Oberfläche.
3.
Am Rand des Korks entsteht eine benetzende Wasseroberfläche, dort bildet sich eine konkav
geformte Oberfläche. Dagegen entsteht am Rand des Wachsstücks eine nichtbenetzende Wasseroberfläche entsteht, diese ist konvex gekrümmt. Ob ein Flüssigkeitsrand benetzend oder nichtbenetzend ist,
hängt vom jeweiligen Randwinkel des Wassers ab. Siehe auch Lösung Aufgabe 3 Kraft einer Seifenhaut.
Erklärung 1.1 :
Abb. 1 Konkave Oberfläche zur Gefäßwand, Benetzung zwischen Wasser und Kork
Der auf der Oberfläche schwimmende Kork bewirkt, dass die vorher minimale Oberfläche durch Benetzung etwas vergrößert wird. Das Wasser versucht, diese Oberfläche wieder zu minimieren. Diese
Position wird erreicht, wenn der Kork bei konkaver Oberfläche am Rand bei der Gefäßwand liegt,
denn die zusätzliche Oberfläche in Position 1 verringert sich, wenn der Kork zur Position 2 in der konkav gekrümmten Oberfläche wandert, siehe Abb. 1.
Erklärung 1.2 :
Abb. 2 Konvexe Oberfläche zur Gefäßwand, Benetzung zwischen Wasser und Kork
1
Bei einer konvex gekrümmten Oberfläche und benetzender Oberfläche beim Kork ist der Zustand
kleinster Energie (Oberfläche) jedoch in der Mitte des Gefäßes am höchsten Punkt erreicht. Denn in
Position 1 ist die zusätzliche Oberfläche weit nach oben „ausgebeult“, siehe Abb. 2 .
Erklärung 1.3 :
Abb. 3 Konkave Oberfläche zur Gefäßwand, Nichtbenetzung zwischen Wasser und Wachs
in
Konkav gekrümmte Oberfläche zwischen Wasser und Gefäßwand sowie nichtbenetzendes Verhalten
zwischen Wasser und Wachs: Jetzt führt das Bestreben des Wassers, kleinste Oberfläche zu bilden, zu
dem Verhalten, dass das Wachsstück zur Mitte des Gefäßes gezogen wird, an die tiefste Stelle. Denn
Position 1 ist die zusätzliche Oberfläche weit nach unten „ausgebeult“, siehe Abb. 3.
Erklärung 1.4 :
Abb. 4 Konvexe Oberfläche zur Gefäßwand, Nichtbenetzung zwischen Wasser und Wachs
Konvex gekrümmte Oberfläche zwischen Wasser und Gefäßwand sowie nichtbenetzendes Verhalten
zwischen Wasser und Wachs: Wegen der konvex gekrümmten Oberfläche am Gefäßrand benötigt das
Wachsstück in Position 2 eine geringere zusätzliche Oberfläche als in Position 1, daher bewegt sich
das Wachs zum Gefäßrand, siehe Abb. 4 .
Erklärung 2:
Sobald der Tropfen Spülmittel in das Wasser hinter dem Wachsschiffchen gelangt, verringert er dort
die Oberflächenspannung deutlich. Daher zieht die vorne noch unverändert große Oberflächenspannung das Wachs in diese Richtung und das Wachsschiffchen bewegt sich überraschend schnell in
Rich- tung großer Oberflächenspannung. Für eine Wiederholung dieses Versuches muss das Spülmittel
gründlich aus dem Wasser in der Wanne entfernt werden.
Quellenangabe:
Physikalische Freihandexperimente, 1997, Aulis-Verlag, D 85399 Hallbergmoos
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