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Warum ist man im Wasser leichter als in der Luft?

Im Sommer im Freibad oder Pool, im Winter im Hallenbad oder der Therme – jeder von uns geht doch ab und zu gerne mal ins Wasser. Was dabei auffällt ist, mit jedem Schritt, den man weiter ins Wasser geht, fühlt man sich leichter. Ist man erst einmal komplett im Wasser hat man fast das Gefühl von Schwerelosigkeit. Aber warum ist das so? Herrscht im Wasser etwa eine andere Schwerkraft?

Nein, natürlich nicht. Die Schwerkraft wirkt im Wasser genauso, wie in der Luft. Grund für die scheinbare Schwerelosigkeit im Wasser ist eine andere Kraft, die sogenannte Auftriebskraft. Die Schwerkraft wirkt ja bekanntermaßen nach unten, genauer gesagt zum Mittelpunkt der Erde hin. Die Auftriebskraft hingegen wirkt in genau die entgegengesetzte Richtung, nämlich nach oben. Sie wird dadurch hervorgerufen, dass man, wenn man sich im Wasser befindet, einen Teil des Wassers verdrängt. Das Volumen des Körpers im Wasser verdrängt das Wasser, dass vorher ja noch an dieser Stelle war. Die Auftriebskraft wirkt diesem Verdrängen entgegen und möchte den Körper quasi wieder aus dem Wasser befördern. Da die Auftriebskraft in die entgegengesetzte Richtung drückt, wie die Anziehungskraft der Erde, werden wir im Wasser leichter, je weiter wir hinein gehen. Ganz von selber schwimmen tun wir dann aber leider doch nicht. Die Dichte unseres Körpers ist nämlich etwas höher als die von Wasser. Das bedeutet, dass der untergetauchte Teil unseres Körpers etwas mehr wiegt, als der Teil des Wassers, der durch den Körper verdrängt wird. Ist das nicht der Fall, wie z.B. bei Holz oder Plastik, schwimmt der entsprechende Gegenstand auf dem Wasser. Wie bereits erwähnt ist die Dichte hierfür entscheidend. Sie gibt das Verhältnis von Gewicht zu Volumen an. Für die Schwerkraft ist allein das Gewicht maßgeblich. Je schwerer, desto stärker die Anziehung zur Erde. Für die Auftriebskraft ist nur das Volumen entscheidend. Weniger dichte Materialien haben bei gleichem Gewicht ein höheres Volumen und verdrängen dadurch mehr Wasser. Die Auftriebskraft wird also irgendwann stärker als die Schwerkraft und der Gegenstand schwimmt. Ist die Dichte groß genug, ist das nicht der Fall und der Gegenstand sinkt.

Die Auftriebskraft herrscht übrigens nicht nur im Wasser. Auch die von uns verdrängte Luft erzeugt einen Auftrieb. Da Luft aber so leicht ist und damit auch der Teil der verdrängten Luft quasi nichts wiegt, ist die Auftriebskraft in Luft für uns vernachlässigbar klein, so dass nur der Einfluss der Schwerkraft zu tragen kommt.

Warum verzerrt Helium unsere Stimme?

Viele haben es sicher schon einmal ausprobiert. Auf einer Party gibt es mit Helium gefüllte Ballons, die bekanntlich nicht zum Boden fallen, sondern nach oben steigen. Wenn man dieses Helium aus einem Ballon einatmet verändert das für kurze Zeit die Stimme und man klingt in etwa wie Mickymaus. Aber was macht das Helium mit unserer Stimme, dass sie so verzerrt klingt?

Dazu muss man erst einmal wissen, wie der Klang unserer Stimme überhaupt entsteht. Wir haben bekanntlich in unserem Hals Stimmbänder, die für unsere Stimme verantwortlich sind. Diese Stimmbänder werden durch ausströmende Luft und entsprechende Muskelaktivität ins Schwingen gebracht. Die Schwingung der Stimmbänder überträgt sich auf das darum liegende Medium (im Normalfall Luft) und erzeugt eine Schallwelle. Diese Schallwelle wird durch den Rachen und die Nasenhöhlen noch etwas abgewandelt und verlässt als charakteristische Stimme unseren Mund. In dem Medium Luft, dass eine gewisse Dichte hat, breitet sich dieser Schall immer mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt etwa 343 Meter pro Sekunde (1235 km/h). In Helium ist das anders. Helium, als deutlich leichteres Gas, hat eine geringere Dichte als Luft. Das ist ja auch der Grund, warum ein Helium Ballon nach oben steigt. In einem Medium mit geringerer Dichte kann sich aber auch der Schall schneller ausbreiten, da der Widerstand geringer ist. Deshalb liegt die Schallgeschwindigkeit in Helium bei etwa 981 Meter pro Sekunde (3532 km/h), also fast dreimal schneller als in Luft. Höhere Geschwindigkeit bedeutet bei Schall eine höhere Frequenz. Wer schon einmal ein Video oder ein Lied mit Ton vor gespult hat, es also schneller hat laufen lassen, der weiß wie sich das in etwa anhört. Der Ton wird verzerrt aber vor allem wird er höher. Genau das passiert auch mit unserer Stimme, wenn die Lunge und der Halsbereich nicht mit Luft, sondern mit Helium gefüllt ist. Sobald sich das Helium aus der Lunge verflüchtigt hat wird die Stimme wieder normal.

Das Ganze geht auch in die andere Richtung mit einem Gas, das schwerer ist als Luft, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid. Die Stimme wird durch das Einatmen dieses Gases tiefer.

In beiden Fällen ist das Einatmen der Gase allerdings nicht ganz ungefährlich. Helium ist da noch etwas weniger kritisch. Man sollte es allerdings nicht übertreiben und nach jedem mal Einatmen eine kleine Pause einlegen. Das Helium verdrängt nämlich den Sauerstoff aus der Lunge. Wenn man es übertreibt, kann das schnell zu einer Unterversorgung bis hin zur Bewusstlosigkeit führen. Schwerere Gas wie Schwefelhexafluorid haben zusätzlich noch die Eigenschaft, dass sie auf Grund ihrer höheren Dichte nicht von selber wieder die Lunge verlassen. Trotz ausatmen können Reste in den unteren Teilen der Lunge bleiben. Was hilft ist tatsächlich ein Kopfstand, so dass das schwere Gas nach unten Richtung Rachen und Mund strömen kann.

 

Quellen:

http://www.pflichtlektuere.com/29/05/2015/wissenswert-warum-klingt-die-stimme-mit-helium-hoeher/

https://www.n-tv.de/wissen/frageantwort/Wieso-veraendert-Helium-die-Stimme-article11599581.html

Wie entstehen Kondensstreifen?

Achtung Spoileralarm: Nein Kondensstreifen sind keine Chemtrails!!!

Auch wenn sich diese Verschwörungstheorie hartnäckig hält, haben Kondensstreifen in keinster Weise etwas mit dem absichtlichen Versprühen von irgendwelchen Chemikalien zu tun. Aber wie genau entstehen sie dann und warum können sie so unterschiedlich aussehen?

Bei der Verbrennung von Kerosin in den Triebwerken eines Flugzeugs entsteht hauptsächlich Wasserdampf und CO2. Da Kerosin aber ähnlich wie Benzin oder Diesel kein Reinstoff ist, sondern aus vielen verschiedenen Substanzen besteht, entstehen durch die unsaubere Verbrennung einzelner Bestandteile auch Rußpartikel. Feinste Wasserdampfteilchen sind erst einmal unsichtbar. Die Rußpartikel dienen allerdings als Anlagerungsstellen für den Wasserdampf, der dort bei den in der Flughöhe herrschenden Temperaturen kondensiert. Man spricht von Kondensationskeimen. Natürlich lagert sich nicht nur ein Wasserteilchen an ein Rußpartikel. In sehr kurzer Zeit bilden sich Tropfen große Ansammlungen, die bei den dort herrschenden Temperaturen in der Regel gleich zu Kristallen gefrieren. Sobald die Gebilde eine gewisse Größe erreicht haben wird an ihnen das Licht so stark gestreut, dass es für uns weiß erscheint (vgl.“Warum sind Wolken weiß„). Dadurch, dass die Triebwerke konstant laufen, können dann die bekannten Kondensstreifen hinter den Flugzeugen entstehen.

Wie lang sich ein Kondensstreifen hält oder auch ob überhaupt einer entsteht ist von der Luft abhängig, durch die das Flugzeug gerade fliegt. Ausschlaggebend ist vor allem die dort vorherrschende Luftfeuchtigkeit. Ist die Luft zu trocken, lösen sich die Wasserteilchen sehr schnell auf und man sieht gar nichts. Bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit können Kondensstreifen auch mal über mehrere Stunden am Himmel bleiben bis sie durch Luftströmungen in ein Gebiet trockenerer Luft geschoben werden. Je nach Luftbewegung können Kondensstreifen quasi jede Form annehmen, vorausgesetzt sie bleiben lange genug erhalten.

 

Quellen:

http://www.airliners.de/warum-chemtrails-kondensstreifen-antworten-cockpit/34692

https://weather.com/de-DE/wissen/wetterlexikon/news/kondensstreifen-so-entstehen-die-kunstlichen-wolken

Warum kühlt ein Ventilator?

So langsam werden die Tage wieder wärmer und der Ein oder Andere macht sich schon wieder Sorgen im Sommer in einem heißen Raum zu sitzen ohne sich zwischendurch abkühlen zu können. Ein einfacher Ventilator kommt da oft gelegen um sich etwas kühle Luft zuwehen zu lassen. Aber warum kühlt ein Ventilator überhaupt? Schließlich enthält er keinerlei tatsächlich kühlende Komponenten.

In der Tat ändert ein Ventilator erst einmal rein gar nichts an der Temperatur der Luft, die sich beispielsweise in einem Raum befindet. Er bringt sie lediglich in Bewegung. Diese Bewegung führt zu einem schnelleren Luftaustausch an der Stelle, wo der Ventilator hin bläst – zum Beispiel unsere Haut. Ist die Umgebungsluft kühler als unsere Haut, so wird durch den Luftaustausch der kühlende Effekt der Luft verstärkt. Die von der Haut aufgewärmte Luft wird weggeblasen und neue kühle Luft kann zur Haut hin gelangen. Ist die Umgebungsluft allerdings schon wärmer als die Hauttemperatur, so fällt dieser Effekt weg. Ein Ventilator ist trotzdem noch in der Lage eine kühlende Wirkung hervorzurufen, aber wie geht das?

Der Luftaustausch hat auch noch einen anderen Effekt. Wenn wir schwitzen verdunstet der Schweiß auf der Haut. Für diese Verdunstung wird Energie benötigt. Diese Energie zieht der Schweiß in Form von Wärme aus der Haut. Das Resultat ist, die Haut kühlt sich ab. Schweiß verdunstet aber nur solange die Luft direkt in Hautnähe nicht zu feucht ist. Sie kann nämlich nur eine gewisse Menge an Feuchtigkeit (hier verdunstender Schweiß) aufnehmen. Durch den Luftaustausch wird immer frische, trockenere Luft zur Haut hin transportiert. Das heißt durch den Ventilator wird der natürliche Kühlmechanismus des Menschen verstärkt. Somit kann dieser auch bei Temperaturen oberhalb unserer Hauttemperatur für eine angenehme Kühlung sorgen.

Natürlich funktioniert das Ganze nur bis zu einer bestimmten Lufttemperatur. Wer in einer Sauna schon einmal einem Luftzug ausgesetzt war, zum Beispiel durch ein wedelndes Handtuch, der weiß, dass der Effekt hier umgekehrt wird und der Luftaustausch hier eine erhitzende Wirkung hat. Zu viele Ventilatoren im Dauerbetrieb sind übrigens auch nicht gut, da der Motor eines Ventilators Wärme abgibt und somit die Raumluft sogar aufwärmen kann. Sobald man die Ventilatoren dann ausschaltet ist es wärmer also vorher ohne Ventilatoren.

Warum macht Wind alles kälter?

Die Temperaturen pendeln gerade wieder um den Gefrierpunkt. Die Nächte sind teils bitter kalt, die Sonne gewinnt allerdings schon wieder an Stärke wenn sie mal raus kommt. Einen großen Einfluss auf das Wetter und die Temperaturen im Winter hat aber auch noch ein anderes Naturphänomen: Der Wind.

Wenn wir im Winter nach draußen gehen und uns entscheiden müssen welche Jacke, Mütze oder Handschuhe wir anziehen, schauen wir als erstes auf das Thermometer. Oft merkt man draußen dann aber, dass es doch kälter ist als gedacht. Ein leichter Wind kann unser Temperaturempfinden stark beeinflussen. Auf vielen Wetterportalen wird daher mittlerweile neben der Lufttemperatur auch noch eine gefühlte Temperatur angegeben. Hier wird unter anderem der Effekt, den der Wind auf uns hat mit einberechnet. Wenn wir nach draußen gehen bilden wir nämlich durch unsere deutlich höhere Körpertemperatur eine Art wärmere Schutzschicht um uns herum aus. Die Luft in direkter Körpernähe wird erwärmt und hält damit die kältere Luft drum herum davon ab uns noch weiter abzukühlen. Kleidung versucht möglichst viel dieser warmen Luft am Körper zu halten. Wind hingegen bewirkt genau das Gegenteil. Er bläst die körpernahe, wärmere Luft von uns weg, so dass neue kalte Luft an den Körper gelangen kann. Das Resultat ist, dass es uns kälter vorkommt, wenn es zu niedrigen Temperaturen auch noch windig ist. Diesen Effekt nennt man übrigens auch „Windchill-Effekt“

Gleiches gilt natürlich auch für den Sommer und warme Lufttemperaturen. Im Sommer wird die kühlende Wirkung des Windes bei sehr heißen Temperaturen allerdings oft als angenehm empfunden.

 

Quellen:

https://www.watson.ch/Wissen/Winter/839421571-Fuer-alle–die-heute-schon-draussen-waren–oder-es-noch-vor-haben—10-eiskalte-Kaeltefakten

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/

Flimmern über heißen Oberflächen

Jetzt in der warmen Jahreszeit wieder häufig zu beobachten: Ein merkwürdiges Flimmern auf Asphalt, schwarzen Fensterbänken oder anderen heißen Oberflächen. Hast du dich schon einmal gefragt woher das kommt? Hier gibt es die Erklärung.

Zuerst einmal benötigt es dafür eine heiße Oberfläche. Und zwar eine, die deutlich wärmer ist, als die Luft darüber. Diese Luft erwärmt sich im Bereich direkt über der heißen Oberfläche, z.B. Asphalt. (Es funktioniert natürlich auch mit anderen Wärmequellen) Wärmere Luft steigt immer nach oben, da mit steigender Temperatur die Dichte der Luft sinkt und sie somit leichter wird. Die aufsteigende Luft macht dadurch wieder Platz für „frische“ Luft, die auf die Oberfläche strömen kann und sich wiederum erhitzt. Außerdem kühlt die warme Luft beim Aufsteigen langsam wieder ab, so dass sich im Bereich über dem Asphalt mehrere Luftschichten unterschiedlicher Temperatur bilden. Die Aufwärtsbewegung dieser Schichten erfolgt aber in der Regel nicht gleichmäßig, sondern wild durcheinander. In der Technik nennt man eine solche Strömung „turbulent“. Wenn nun Licht, das später in unser Auge fallen soll, durch diese turbulente Strömung aus verschieden warmen Luftschichten fällt, wird es in jeder Luftschicht unterschiedlich gebrochen. (Für eine ausführliche Erklärung des Begriffes Brechung von Licht siehe: Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen? ) Dieses „Wirrwarr“ aus gebrochenem Licht sehen wir dann als Flimmern, das aufzusteigen scheint, da sich die Luftschichten ja weiterhin nach oben bewegen.

Das gleiche Phänomen ist übrigens auch für die scheinbar nasse Straße verantwortlich. Licht kann nämlich an einer Grenze zwischen zwei unterschiedlich warmen Luftschichten auch reflektiert werden. (Für Begriffserklärung Reflexion siehe ebenfalls: Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen? Was wir auf dem Boden als Pfütze sehen, ist eigentlich die Spiegelung des Himmels.

Im Allgemeinen nennt man eine solche Spieglung „Fata Morgana“. Dabei kann nicht nur der Himmel, sondern auch andere Gegenstände oder ganze Bergketten gespiegelt werden. Allerdings sollte für eine gut sichtbare Fata Morgana kein Wind wehen, um die Luftschichten möglichst nicht zu verwirbeln. Ist das der Fall, so entsteht eine deutliche Grenze zwischen einer kühleren und einer wärmeren Luftschicht, an der sich das Licht dann spiegeln kann.

grafik_fatamorgana01

In der Abbildung sieht man die Grenzschicht zwischen den Luftschichten (schwarzer Strich). Der Baum wird an dieser Schicht gespiegelt. Das Licht ist mit grauen Pfeilen gekennzeichnet. Aus Sicht des Betrachters, sieht es so aus, als wäre der Baum an der Stelle des grünen Punktes. In Wirklichkeit ist er deutlich weiter weg. Der Baum kann zwar bei einer einfachen Spiegelung auf dem Kopf stehen, doch ist das oft nicht so genau zu erkennen.

So kann es in der Wüste vorkommen, dass Nomaden Wasserstellen, Gebirgszüge oder sogar Städte an Stellen vermuten, an denen weit und breit nichts ist. Eine gespiegelte Stadt muss natürlich existieren, sie kann aber noch viel weiter weg sein als vermutet.

 

Quellen:

https://www.helles-koepfchen.de/lichterscheinungen/luftspiegelung-fata-morgana.html

https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Hitzeflimmern