7. – 10. Schuljahr

von Bianca Watzka

Kapillareffekt beim Dornteufel

Versuch: Sek. I Lehrer
Zeit: 15 min
Der Dornteufel (s. Abb. 1 ) kann Wasser über seinen Körper transportieren. Das Besondere dabei ist, dass er Wasser auch gegen die Gewichtskraft vom Boden nach oben zu seinem Maul bringen kann. Dies machen ihm seine dornigen Schuppen möglich, die schmale Kanäle bilden. Um den „Trick des Dornteufels zu untersuchen, kann man das Verhalten von Wasser in einem keilförmigen Spalt betrachten.
Materialien
  • Keilglas (2 Glasplatten, Objektträger, Gummi)
  • mit Tinte gefärbtes Wasser
  • Petrischale
  • Folienschreiber
  • Geodreieck
Durchführung
Etwas gefärbtes Wasser wird in eine Petrischale gegeben. Aus den Glasplatten, dem Objektträger und dem Gummi wird ein Keilglas gebaut. Dieses Keilglas hält man nun in das gefärbte Wasser (s. Abb. 2 ).
Beobachtungen
  • Es bildet sich ein Meniskus aus, die sog. Kapillaraszension.
  • Die Steighöhe des gefärbten Wassers nimmt mit kleiner werdendem Abstand der Glasplatten stark zu.
  • Der Verlauf der Steighöhe des gefärbten Wassers weist auf einen umgekehrt proportionalen Zusammenhang hin.
Auswertung
Der beobachtete Zusammenhang wird auf umgekehrte Proportionalität hin geprüft.
Liegt ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang vor, dann sind die Produkte von Wertepaaren gleich groß. Dies kann am Keilglas auch leicht von den Schülerinnen und Schülern selbst untersucht werden. Dazu zeichnen sie mit dem Folienschreiber die Hyperbel auf der Glasplatte nach. Anschließend wählen sie Wertepaare aus und zeichnen die durch die Wertepaare festgelegten Rechtecke ein. So ist leicht ersichtlich, dass die Flächeninhalte der Rechtecke bei allen Wertepaaren gleich groß sind und somit Produktgleichheit vorliegt.
Ergebnisse
Wasser ist eine benetzende Flüssigkeit, sodass sich eine Kapillaraszension zeigt. Zwischen zwei Glasplatten mit zunehmendem Abstand d bildet die Steighöhe h von Wasser eine Hyperbel: h ~ 1/d.
Erklärung
Phänomene an Grenzflächen von Flüssigkeiten und Festkörpern oder Gasen beruhen auf Unterschieden in den Größen der verschiedenen Grenzflächenenergien. Die Grenzflächen stellen sich immer so ein, dass die Gesamtenergie minimal wird.
Im beschriebenen Experiment werden die Grenzflächen „Wasser Glas Luft betrachtet. Die drei Energien der Grenzflächen fest – gasförmig, fest – flüssig und flüssig – gasförmig stehen im Gleichgewicht. Bei benetzenden Flüssigkeiten ist die Energie der Grenzfläche fest – gasförmig größer als die Summer der Energien der beiden Grenzflächen fest – flüssig und flüssig –  gasförmig. Daher ist es energetisch günstiger, wenn die Grenzfläche fest – gasförmig abnimmt und die Grenzfläche fest – flüssig zunimmt.
Die beschriebene Kapillarwirkung zeigt sich auch in den schmalen Rillen zwischen den Schuppen des Dornteufels.
Erweiterung
Der Versuch mit dem Keilglas wurde u.a. auch auf der ISS in Schwerelosigkeit im Rahmen des Programms „Take your Classroom into Space durchgeführt und in einem Video dokumentiert:
Dieser Versuch kann als Anlass zum Aufstellen weiterer Vermutungen über die Kapillarwirkung in Schwerelosigkeit dienen.

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