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Warum schrumpelt unsere Haut im Wasser?

Bei dem sommerlichen Wetter kann man eine Abkühlung in einem Freibad oder einem See immer gut gebrauchen. Wenn man einmal im Wasser ist, möchte man am liebsten gar nicht mehr raus. Wenn man lange genug im Wasser bleibt kann man an seinen Händen und Füßen etwas merkwürdiges erkennen. Die Haut an Fingerspitzen und Zehen ist total „schrumpelig“ geworden. Warum ist das eigentlich so?

Zu der gängigen Erklärung gibt es mittlerweile auch weitere wissenschaftliche Untersuchungen zum eigentlichen Zweck der ganzen Sache.

Doch zuerst einmal zu der verbreiteten Erklärung warum unsere Haut bei längerem Kontakt mit Wasser schrumpelt.

An den Fingerspitzen und den Zehen bildet sich bei Menschen eine relativ dicke Schicht von so genannte Hornzellen. Diese Zellen sind abgestorbene Hautzellen, die die oberste Schicht der Haut bilden. Sie sind überall zu finden, jedoch gehäuft an stark strapazierten Hautstellen, wie Fingerspitzen oder eben auch Zehen. In diesen Zellen herrscht ein relativ hoher Salzgehalt. Wenn die Finger nun lange genug unter Wasser sind, nehmen die Hornzellen dieses auf. Doch warum tun sie das?

Die Natur versucht grundsätzlich immer Gleichgewichte zu schaffen. Wenn sich der Finger im Wasser befindet, bildet die Haut eine Grenzschicht. Außen ist viel Wasser, das aber nur wenige Salze enthält. Innen sind die Hornzellen, die einen hohen Salzgehalt aufweisen. Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten eine Gleichgewicht herzustellen. Entweder das Salz aus den Zellen gelangt nach außen, oder das Wasser gelangt in die Zellen. Da unsere Haut für Salze aber undurchlässig ist, tritt immer der zweite Fall ein.

Die Hornzellen saugen sich also mit Wasser voll, werden dadurch größer und die Haut dehnt sich aus. Da der Finger aber natürlich nicht mitwächst entsteht eine Wellenartige HautstrukturRunzelhaut.

Warum passiert das Ganze dann nicht sofort, sobald wir die Hand ins Wasser tauchen?

Hier kommt ein Schutzmechanismus der Haut ins Spiel. Die Fettschicht. Die Haut produziert überall eine dünne Fettschicht, die sie vor äußeren Einflüssen schützt. Wenn man die Hand nun lange genug im Wasser lässt, löst sich auch diese Fettschicht auf. Sobald das der Fall ist, fängt die Haut an das Wasser aufzunehmen und sie wird schrumpelig.

Wie bereits erwähnt, haben Wissenschaftler nun noch versucht einen höheren Sinn bzw. einen Nutzen dieses Phänomens zu finden. Mit Hilfe von Probanden haben sie herausgefunden, dass wir mit dieser runzeligen Haut besser in der Lage sind nasse Gegenstände mit den Händen zu greifen. Es könnte zusätzlich also auch noch sein, dass der Körper diese wellige Haut gezielt aufbaut, um im nassen Medium Sachen besser hantieren zu können. Hierfür gibt es allerdings noch keine konkreten Untersuchungen, die Forschungen werden aber weiter gehen.

Warm/Kalt – Warum fühlt sich Metall kühler an als Holz?

Man befindet sich in einem Raum, in dem eine Zimmertemperatur von etwa 20°C herrscht. Man könnte also meinen, dass alles in diesem Raum die gleiche Temperatur angenommen hat. Wenn man nun allerdings einen Gegenstand aus Holz anfasst und danach etwas metallenes berührt, kommen einem die beiden Sachen nicht gleich warm vor. Das Metall scheint deutlich kühler zu sein als das Holz. Doch ist das wirklich so?

Tatsächlich sind beide Dinge gleich warm. Wie soll es auch anders sein? Beide Gegenstände liegen in einem Raum bei annähernd konstanter Temperatur. Man kann sich gut vorstellen das mit der Zeit alle Gegenstände die Zimmertemperatur annehmen. Etwas Wärmeres würde sich nach und nach abkühlen und ein kaltes Getränk beispielsweiße würde sich bis auf die Temperatur der Luft erwärmen.

Aber warum kommt uns nun das Metall kühler vor als das Holz?

Die Antwort liegt in der Wärmeleitung. Unsere Haut hat etwa eine Temperatur von 30°C. Wenn wir einen Gegenstand anfassen, der kälter ist als die Haut, kann die Wärme von der Haut auf diesen Gegenstand übergehen. Die unterschiedlichen Wärmeübergangsmechanismen habe ich bereits im Artikel zur „eingefrorenen Windschutzscheibe“ erklärt (https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/04/28/die-eingefrorene-windschutzscheibe/ ). Da hier ein direkter Kontakt vorliegt spricht man von Wärmeleitung.

Wärmeleitung kann aber nicht nur zwischen zwei verschiedenen Dingen stattfinden, sondern auch innerhalb eines Gegenstandes (hier Holz bzw. Metall). Diese Wärmeleitung ist aber nicht in jedem Stoff gleich gut. Metalle haben in der Regel eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Wärme, die an einer Stelle an das Metall gelangt, kann also sehr schnell durch das ganze Metallstück geleitet werden und verteilt sich darin. Holz besitzt im Gegensatz dazu eine eher schlechte Wärmeleitfähigkeit.

Wenn man nun mit dem warmen Finger ein Stück Metall berührt, geht die Wärme vom Finger in das Metall über. Dort wird die Wärme aber sofort abgeführt und verteilt. Die Berührungsstelle nimmt also nicht die Temperatur des Fingers an sondern bleibt kühl und entzieht dem Finger somit immer mehr Wärme. Das Resultat ist, dass sich das Metall tatsächlich wie 20° anfühlt. Im Vergleich zu den 30° der Haut also kühl. Beim Holz funktioniert das Ableiten der Wärme nicht so gut. Die Berührungsstelle nimmt also die Temperatur des Fingers an und das Holz kommt einem dann wärmer vor als das Metall. Das Ganze passiert natürlich so schnell, dass man beim Holz nicht merkt wie es sich aufwärmt.

Dinge, die uns bei gleicher Temperatur kühler vorkommen sind folglich gar nicht kühler, sie besitzen nur eine bessere Wärmeleitfähigkeit.

Gleiches gilt natürlich auch für Temperaturen oberhalb der Hauttemperatur. Bei heißem Metall kann nach dem Übergang der Wärme an der Berührungsstelle die Wärme aus dem restlichen Teil des Metalls schnell nachfließen und wieder in die Haut übergehen. Bei Holz dauert das länger. Folglich sind Verbrennungen an Metall deutlich gravierender als die, die bei Berührung mit Holz entstehen. Auch wenn Holz und Metall die gleiche Temperatur haben.

Schweiß – Wie funktioniert die menschliche Klimaanlage?

An diesen heißen Tagen kommt man leicht ins Schwitzen, was in der ein oder anderen Situation auch mal unangenehm sein kann. Doch warum schwitzen wir überhaupt? Der Körper will sich abkühlen klar – aber was bringt da der Schweiß?

Der Kühlungseffekt erfolgt erst dann, wenn der Schweiß, der zum Großteil aus Wasser besteht, auf der Haut verdunstet. Also vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Das passiert jeder Zeit wird aber bei höheren Temperaturen beschleunigt. Für diesen Übergang benötigt jeder Stoff, also auch Wasser bzw. Schweiß, Energie in Form von Wärme. Diese Wärme wird vom Schweiß aus der warmen Umgebung aber zum Teil auch aus der Haut entzogen, wodurch diese sich folglich abkühlt.

Der Schweiß, der ja mit nahezu Körpertemperatur aus der Haut austritt, kann den Körper also gar nicht herunter kühlen. Erst durch das Verdunsten wird der Haut Wärme entzogen, wodurch der gewünschte Kühleffekt eintritt.

Das Phänomen der sich rückwärts drehenden Räder

Da ich bereits mehrere Anfragen erhalten habe einen Artikel darüber zu schreiben, warum sich Räder von Autos, Kutschen etc. in Filmen oft rückwärts drehen, werde ich dieses Phänomen hier einmal erklären.

Zunächst muss man wissen, dass Filme eigentlich aus aneinandergereihten Einzelbildern bestehen. Etwa 25 Bilder pro Sekunde. Da unser Auge und unser Gehirn nicht in der Lage sind die Bilder einzeln zu erkennen, werden sie von uns als fortlaufender Film wahrgenommen. Das Gehirn ist in der Lage, die „Lücken“ zwischen den Bildern mit logischem Inhalt zu füllen, so dass wir dann einen zusammenhängende Film sehen. Trotzdem sind es immer noch einzelne Bilder.

Nun stellen wir uns mal den Wechsel von einem zum nächsten Bild vor. Im ersten Bild ist ein Rad mit Speichen zu sehen (z.B. von einer Kutsche). Die Speichen, die sich beim Fahren der Kutsche im Kreis bewegen, sind auf diesem Bild in einer bestimmten Stellung. Im nächsten Bild, das eine fünfundzwanzigstel Sekunde später aufgenommen wurde, hat sich das Rad weiter gedreht und die Speichen sind nun in einer anderen Stellung. Jetzt gibt es drei Möglichkeiten:

  1. Das Rad dreht sich relativ langsam. Jede Speiche ist also auf dem nächsten Bild nur ein wenig weiter gedreht. In diesem Fall erkennt das Gehirn die korrekte vorwärtslaufende Kreisbewegung des Rades.
  2. Das Rad dreht sich so schnell, dass die nächste Speiche im zweiten Bild nun an derselben Stelle steht, wie die andere Speiche im ersten Bild. In diesem Fall nimmt das Gehirn gar keine Veränderung war und es sieht so aus als würde das Rad sich überhaupt nicht drehen.
  3. Bei etwas geringerer Geschwindigkeit als in 2. ist die nächste Speiche im zweiten Bild soweit gedreht, dass die kurz vor der Stelle steht, an der die andere Speiche im ersten Bild stand. Das Gehirn verbindet nun die beiden Bilder zu einer fließenden Bewegung, die uns dann aber sehen lässt, dass das Rad sich rückwärts dreht, obwohl die Kutsche vorwärts fährt.

Es kommt also auf die Geschwindigkeit an, mit der das Rad einer Kutsche oder eines Autos sich dreht. Wenn ein Auto in einem Film beschleunigt und die Reifen dabei zu sehen sind, wird es so aussehen als würden sich die Räder erst einmal immer schneller drehen, bis der oben erklärte Effekt eintritt. Ab diesem Zeitpunkt scheint das Rad sich rückwärts zu drehen und mit weiterer Beschleunigung langsamer zu werden, bis es komplett stehen bleibt. Das Gleiche wiederholt sich bei weiter steigender Geschwindigkeit.

Das gleiche Phänomen kann übrigens auch auftreten, wenn ein Auto hinter einem Zaun entlangfährt. Die Zaunbalken, die die Sicht auf das Auto verdecken erzeugen auch den Effekt der einzelnen Bilder. Diese entstehen nämlich dann, wenn der Blick zwischen den Zaunbalken durch fällt und der Autoreifen zu sehen ist.

Im Zusammenhang mit Filmen nennt man diesen Effekt „Wagenradeffekt“ oder „Speichenradeffekt„. Der allgemeine Begriff lauten „Stroboskopeffekt„.

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: https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/04/28/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 im Sommer verantwortlich. Licht kann nämlich an einer Grenze zwischen zwei unterschiedlich warmen Luftschichten auch reflektiert werden. (Für Begriffserklärung Reflexion siehe ebenfalls: https://lustaufwissen.wordpress.com/2015/04/28/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.

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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.

Die eingefrorene Windschutzscheibe

Jeder kennt es, jeder hasst es. Es ist Winter, man muss morgens früh raus, hat eh schon wenig Zeit und dann das: Die Scheiben des Autos sind zugefroren und man verbringt weitere 5 Minuten nur damit das Auto frei zu kratzen. Aufmerksamen Beobachtern ist dabei vielleicht schon einmal aufgefallen, dass nicht alle Scheiben des Autos gleichzeitig zu frieren. Wenn die Temperaturen am Abend fallen ist die Windschutzscheibe eines Autos die erste, die mit einer Eisschicht bedeckt ist noch bevor man bei den Seitenscheiben erkennen kann wie kalt es ist. Doch warum ist das so? Und warum bildet sich überhaupt eine Eisschicht auf den Scheiben?

Letzteres Phänomen will ich als erstes auffassen. Warum friert eine Scheibe zu?

Um das zu verstehen, benötigt man den Begriff und das Verständnis der Luftfeuchtigkeit. Was wir unter Luft verstehen ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Die größten Anteile bilden dabei Stickstoff mit etwa 78% und Sauerstoff mit knapp 21%. Zusätzlich zur Luft befindet sich in der Atmosphäre aber auch Wasserdampf also gasförmiges Wasser. Jetzt werden viele sagen:“ Wasserdampf entsteht doch erst bei 100°C.“ Diese Aussage ist nicht ganz richtig. Wenn nach einem Regenschauer auf dem Asphalt eine Pfütze entstanden ist und danach die Sonne darauf scheint, verschwindet die Pfütze mit der Zeit. Das Wasser der Pfütze wird aber dabei nie auf 100°C erhitzt und versickern kann es im Asphalt auch nicht. Dieser Vorgang wird im Sprachgebrauch oft als „Verdunsten“ bezeichnet. Verdunsten ist der langsame Übergang von flüssigem Wasser in gasförmigen Wasserdampf, der sich dann mit der Luft vermischt. Verdunsten kann bei jeder Temperatur stattfinden, wird jedoch mit steigender Temperatur beschleunigt. Die Luft, die an einer bestimmten Stelle oder in einem Raum ist, kann aber nur eine gewisse Menge an Wasserdampf aufnehmen. Diese Menge ist auch wiederum abhängig von der Temperatur der Luft. Je Wärmer die Luft, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Der Anteil an gasförmigem Wasser in der Luft wird Luftfeuchtigkeit genannt. Die relative Luftfeuchtigkeit, die entscheidende Größe für die Aufnahme von Wasserdampf in der Luft, ist eine prozentuale Angabe wie viel der maximalen Menge an Wasser in der Luft enthalten ist. 25% heißt also, dass die Luft noch viel aufnehmen kann, 100% heißt, das Maximum ist erreicht und ein eventueller Verdunstungsprozess könnte nicht mehr weiter laufen.

Wenn Wasserdampf durch die Luft aufgenommen werden kann muss er ja auch irgendwie wieder abgegeben werden können. Dies geschieht wenn die 100% Marke“ überschritten“ wird. Ist das der Fall, dann kondensiert Wasserdampf aus und wird wieder zu flüssigem Wasser. So entsteht zum Beispiel Regen. Aber wie kann man über 100% kommen? Angenommen die Lufttemperatur liegt während des Tages bei 10°C. Mit der Zeit hat die Luft Wasserdampf aufgenommen und es herrscht eine relative Luftfeuchtigkeit von 80%. Wenn jetzt abends die Temperatur fällt, auf sagen wir mal 1°C, sinkt damit auch die Gesamtkapazität der Luft Wasser aufzunehmen. Die Menge an Wasserdampf in der Luft bleibt gleich, der prozentuale Anteil an Wasser im Vergleich zur maximal möglichen Menge wird allerdings höher und so kann es auch sein, dass der Wert über 100% steigen würde. Da dieses Maximum aber nicht tatsächlich überschritten werden kann, muss ein Teil des Wasserdampfes aus der Luft kondensieren und somit wieder zu flüssigem Wasser werden.

Der Vorgang der Kondensation kann überall stattfinden, bevorzugt jedoch an kalten, glatten Oberflächen. Eine Glasscheibe, wie die eines Autos, ist genau so eine optimale Oberfläche. Sie ist glatt und kühlt schnell ab. Somit bildet sich bei sinkender Temperatur eine dünne Wasserschicht auf der Scheibe, die dann bei weiter sinkender Temperatur zu Eis gefriert. Aber warum passiert das auf der Windschutzscheibe nun früher als auf den anderen Scheiben?

Wie bereits erwähnt kondensiert Wasser bevorzugt auf kalten Flächen – je kälter desto besser. Und hier kommen die verschiedenen Mechanismen des Wärmeaustausches ins Spiel.

Es gibt grundsätzliche drei Möglichkeiten Wärme zu übertragen. Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung geschieht zwischen zwei Medien, die in direktem Kontakt zu einander stehen. Der Wärmeübergang erfolgt hier, wie grundsätzlich immer, von warm nach kalt. Wärmekonvektion ist der Wärmeübergang über ein Trägermedium wie beispielsweise Luft. Die Wärme eines heißen Körpers kann von der Luft aufgenommen, transportiert und an anderer Stelle wieder abgegeben werden. Das dritte und hier ausschlaggebende Phänomen ist die Wärmestrahlung. Diese kann ohne Kontakt und ohne Trägermedium stattfinden. Einzig entscheidend für die Wärmestrahlung ist die Temperaturdifferenz vom wärmeren zum kälteren Medium ( warm bedeutet hier nicht unbedingt gefühlt warm, auch ein Temperaturunterschied von -20°C zu -40°C ruft eine Wärmestrahlung hervor).

Die Phänomene Wärmeübertragung und Wärmekonvektion betreffen alle Scheiben des Autos gleicher Maßen. Entscheidend ist also die Strahlung. Die Seitenscheiben eins Autos sind in die unmittelbare Umgebung, wie das nächste Haus, eine Hecke oder eine Mauer gerichtet. Die Windschutzscheibe zeigt Richtung Himmel. Die Umgebung hat in der Regel die Gleiche Temperatur wie die Luft an diesem Punkt, d.h. es liegt keine Temperaturdifferenz vor und somit auch keine effektive Wärmestrahlung. Der Himmel, also entweder Wolken oder bei einer klaren Nacht sogar das Weltall, haben eine deutlich geringere Temperatur. Hier kann also Wärmestrahlung von der Scheibe in Richtung Himmel auftreten. Die Scheibe wird dadurch zusätzlich abgekühlt. Das Resultat ist, dass sich die Windschutzscheibe schneller abkühlt als die Seitenscheiben und somit sowohl die Kondensation des Wassers früher auftritt, als auch das spätere Frieren der Wasserschicht zu Eis.

Die Wärmestrahlung allein ist also dafür verantwortlich, dass die Windschutzscheibe eines Autos schneller zufriert als dessen andere Scheiben.

Verhindern lässt sich dies im Übrigen durch etwas, das zwischen die Scheibe und den Himmel gebracht wird. Einfachstes Beispiel ist die Folie, die man direkt auf die Scheibe legt und in die Türen einklemmt. Diese Bewirkt, das zwischen Folie und Scheibe keine Strahlung mehr auftritt. Die Strahlung findet dann zwischen Folie und Himmel statt, deswegen ist die Folie am nächsten Morgen auch eingefroren und muss zum Trocknen gelegt werden.

Der trockene Fußabdruck im nassen Sand

Wer träumt nicht davon jetzt bei strahlendem Sonnenschein barfuß am Sandstrand entlang zu laufen und das Rauschen der Wellen zu genießen? Ein wunderbares Gefühl, wenn der Sand unter den Füßen knirscht. In dem nassen Sand kurz vor dem Wasser können wir auch unsere ganz persönlichen Fußabdrücke hinterlassen. Bei genau so einem Fußabdruck ist dem Ein oder Anderen vielleicht schon mal etwas aufgefallen. Der komplett nasse Sand scheint durch das Auftreten um den Fuß herum zu trocknen und auch der Fußabdruck selber sieht trockener aus, als der Rest des Sandes. Doch wie kann das sein? Wo kann das Wasser im nassen Sand denn hin?

Diese Frage wird durch die Porosität beantwortet, eine Eigenschaft von Schüttungen oder Haufen aus vielen Partikel – in diesem Fall Sand. Die Porosität ist ein Maß dafür, wie viel Hohlraum zwischen den Partikeln einer Schüttung liegt. Porosität 0% bedeutet man hat ein massives Medium, in dem keine Luft eingeschlossen ist. Je höher die Porosität, desto mehr Hohlraum befindet sich in einem Haufen oder einer Schüttung.

Doch was hat die Luft zwischen Partikeln jetzt mit der Feuchtigkeit des Sandes zu tun? – Das Wasser des Meeres kann in genau diesen Hohlraum zwischen den Sandkörnern fließen und macht den Sand damit nass. Bei trockenem Sand befindet sich Luft zwischen den Körnern.

Wenn man jetzt über den nassen Sand läuft, der ab und zu von einer Welle überspült wird, muss man sich vorstellen, dass dieser Sand da schon viele Tausend Jahre liegt und immer wieder von Wellen glatt gespült wurde. Die vielen Sandkörner hatten also genug Zeit sich optimal anzuordnen. D.h. den Abstand zwischen den einzelnen Körnern und somit auch den Hohlraum dazwischen so gering wie nur möglich zu halten. Die Porosität ist somit minimal. Kleiner kann sie bei Sand nicht werden. Ganz nebenbei: Wenn man davon ausgehen würde, dass alle Sandkörner perfekte Kugeln wären und alle die gleiche Größe hätten, wäre der Wert für diese minimale Porosität 0,26 – also 26%. Die Kugelform könnte näherungsweise sogar stimmen, aber nicht alle Sandkörner sind gleich groß. Damit wird die Porosität sogar noch geringer, da sich kleinere Sandkörner in die Hohlräume zwischen größeren Körnern schieben können und somit den Gesamthohlraum verringern.

Auf diese optimale Anordnung von Sandkörnern, dessen Hohlraum komplett mit Wasser gefüllt ist, setzt man nun einen Fuß und übt somit eine Kraft aus, die die Ordnung des Sandes zerstört. Man könnte meinen durch das Drücken von oben wird der Sand noch zusätzlich verdichtet und die Porosität müsste abnehmen. Diese Annahme ist allerdings falsch, da der Sand ja bereits in einer optimalen Anordnung ist und sich somit der Hohlraum durch eine Störung – in diesem Fall unser Fuß, der auf den Sand auftritt – nur vergrößern kann. Eine Verringerung ist ja nicht mehr möglich.

Der Hohlraum zwischen den Sandkörnern und somit auch die Porosität werden also erhöht, die Menge an Wasser, die sich dort befindet bleibt aber gleich, solange keine neue Welle kommt. Wenn mehr Zwischenraum zur Verfügung steht, also Wasser vorhanden ist, bedeutet das, dass auch Hohlraum mit Luft gefüllt wird. Und wie oben bereits erwähnt ist der Sand, dessen Hohlraum mit Luft gefüllt ist, trockener Sand.

Durch die „Zerstörung“ der optimalen Anordnung des Sandes durch unseren Fußabdruck schaffen wir also eine kleine Schicht trockeneren Sand um unseren Fuß herum. Spätestens mit der nächsten größeren Welle ist dieser anschauliche Beweis der Porosität von Sand allerdings auch schon wieder zu Nichte gemacht.

Warum haben Windräder immer genau drei Flügel?

Viel kritisiert aber doch immer mehr gebaut – Windräder oder, wie die offizielle Bezeichnung ist, Windkraftanlagen – sieht man immer häufiger, nicht nur in Deutschland. Ob auf erhöhten Landstrichen oder auch auf offener See, überall ragen sie in den Himmel. Jeder kann sie sich sofort vorstellen mit ihren drei riesigen Flügeln. Doch warum sind das denn eigentlich drei Flügel? Warum sind es nicht mehr oder vielleicht auch weniger?

In die Entscheidung, eine Windkraftanlage mit drei Flügeln jeweils um 120° versetzt zu bauen, fließen viele Faktoren ein. Grundsätzlich gilt nämlich eigentlich, je mehr Flügel, desto mehr Angriffsfläche für den Wind und desto mehr umgewandelte Energie. „Umgewandelt“ deswegen, da die Bewegungsenergie des Windes, der die Rotorblätter antreibt, mit Hilfe eines Generators in elektrische Energie übergeführt wird. Der Begriff „Energieerzeugung“ ist somit eigentlich nicht richtig. Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie wird nur von einer Form (Bewegung des Windes) in eine für uns nutzbare (Elektrizität) umgewandelt.

Doch zurück zur Anzahl der Rotorblätter. Mit jedem zusätzlichen Flügel eines Windrades steigt theoretisch die vom Wind aufgenommene Energie. Warum also nicht vier, fünf oder noch mehr Flügel an eine Windkraftanlage bauen?

Erstens steigt die aufgenommen Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleich. Je mehr Flügel ein Windrad hat, desto weniger hat der Wind die Möglichkeit, durch die Rotorblätter durch zu strömen. Ein Teil des Windes soll natürlich direkt auf die Fläche der Flügel treffen, ein Teil muss aber auch hindurch strömen können, um den Windfluss aufrecht zu erhalten. Nehmen wir mal das Extrembeispiel an. An ein Windrad werden so viele Flügel montiert, dass eine komplette Scheibe entsteht. Die Angriffsfläche für den Wind wird somit maximal, jedoch gibt es keine Möglichkeit mehr zwischen den Rotorblättern hindurch zu strömen. Der Wind trifft also auf die Scheibe und staut sich davor auf. Eine Art Wand entsteht, die den nachfolgenden Wind davon abhält, überhaupt erst zu dem Windrad zu gelangen. Der Windfluss ist dadurch komplett zum Erliegen gekommen. Natürlich ist das ein Extrembeispiel, doch der gleiche Effekt tritt auch schon bei einer geringeren Anzahl an Flügeln auf. Aus diesem Grund steigt die Energie nicht mit jedem zusätzlichen Flügel gleichermaßen an. Ein viertes Rotorblatt bringt vielleicht noch 10% Steigerung, ein fünftes dann schon nur noch 7% und so weiter.

Ein weiterer Grund hierfür ist, dass ein Flügel ein ordentliches Gewicht mit sich bringt. Je mehr Flügel, desto schwerer wird also der Teil der Anlage, der sich nachher drehen soll. Das physikalische Gesetz der Trägheit besagt, dass man für eine größere Masse eine größere Kraft benötigt, um diese in Bewegung zu bringen. Folglich wird sich ein schwerer Rotor langsamer drehen, als ein leichterer. Langsamere Drehung bedeutet wiederum geringere Leistung.

Ein zusätzlicher Faktor, der immer in die Konstruktion von Maschinen und Apparaten einfließt, sind die Kosten. Die Windkraftanlage muss sich finanziell rentieren. Da jedes weitere Rotorblatt zusätzliche Kosten hervorruft, sowohl bei der Anschaffung, also auch bei der Instandhaltung, ist es aus wirtschaftlicher Sicht nicht mehr rentabel, einen vierten Flügel anzubringen, auch wenn dieser die Leistung des Windrades noch weiter steigern würde.

Das ist aber nicht der einzige Grund, warum man sich für drei Flügel entschieden hat. Bei einer geraden Anzahl an Flügeln, z.B. vier, stehen sich immer zwei Flügel direkt gegenüber, das heißt wenn einer der Flügel ganz unten ist, ist einer auch ganz oben. Wenn ein Rotorblatt ganz unten ankommt, muss es zwangsläufig den Mast der Anlage passieren. Vor dem Mast tritt allerdings genau das Phänomen ein, das ich oben bereits erklärt habe. Der Windfluss ist an dieser Stelle zu einem bestimmten Teil unterbrochen. Während der Flügel also den Mast passiert, wirkt eine geringere Kraft auf ihn, als an anderen Stellen der Kreisbewegung. Das Rotorblatt, das dem Unteren gegenüber steht, also ganz oben, erfährt allerdings die volle Kraft des Windes. Jetzt kann man sich diese beiden Flügel wie einen Balken vorstellen, der in der Mitte befestigt ist. Auf die obere Seite wirkt eine stärkere Kraft, als auf die Untere. Was passiert also? Der Balken versucht zu kippen. Oben nach hinten und unten folglich nach vorne. Natürlich würden die Flügel nicht wirklich kippen, aber die Aufhängung der Flügel muss diese Kräfte aushalten, was zu einem deutlich schnelleren Verschleiß führen würde. Außerdem kann das Windrad dann nicht mehr gleichmäßig im Kreis laufen, was auch für die gesamte Anlage eine massive Belastung darstellt.

Ein letzter, allerdings nicht ganz so schwerwiegender Punkt ist die Tatsache, dass jedes Rotorblatt Geräusche erzeugt, wenn es sich dreht. Ein Windrad mit vier Flügeln würde dadurch mehr Lärm erzeugen, als eines mit drei und müsste somit auch mit mehr Abstand zu Behausungen gebaut werden.

Man sieht es gibt viele Kriterien, die bei dem Bau einer Windkraftanlage beachtet werden müssen und all diese haben letztendlich dazu beigetragen, dass wir all unsere Windräder mit exakt drei Flügeln sehen.