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Kinderfragen & Physik: Welche Dicke hat die Wand einer Seifenblase?

Kinderfragen & Physik: Welche Dicke hat die Wand einer Seifenblase? (Wordle) Seifenblasen sind fragil und regen die Fantasie an. Doch Wissenschaftler können sie mit Hilfe der Naturwissenschaften erklären. Die buntschillernden Gebilde lassen jedoch nur die wenigsten kalt und selbst Physiker oder Mathematiker erliegen ihrem Charme. Für sie allerdings kein Grund, die Natur der Seifenblasen nicht näher zu untersuchen.

Und so stellen sie sich die Frage: Welche Dicke hat die Wand einer Seifenblase. Jeder Schüler würde jetzt spontan antworten: ziemlich dünn. Doch wie dünn ist sie wirklich? Ein Mathematiker fängt nun an zu rechnen. Er kann sich der Dicke mathematisch nähern. Dazu muss er abschätzen, wie groß die für die Seifenblase benötigte Menge Wasser ist, die mit Hilfe der Luft aufgepustet wird. Dann kommt simple Geometrie ins Spiel. Eine Seifenblase ist nichts anderes als eine Kugel. Wenn nun berechnet wird, wie groß die Kugelwand sein muss, damit sie genau diese Portion Seifenwasser aufnehmen kann. Die Rechnung an sich ist nicht ganz ohne, doch mit etwas Zeit, Lust und Knobelei kommt man auf ein brauchbares Ergebnis.

Seifenblasen-Wolke

Seifenblasen: Faszinierendes Farbspiel (Quelle: Wikipedia1)

Einfacher und schneller wird das Ganze, wenn man sich der Frage aus physikalischer Richtung nähert. Da Seifenblasen typischerweise in bunten Farben schillern, hilft einem die Optik und die Natur des Lichtes weiter. Die schillernden Farben können auf Interferenzeffekte des Lichts zurückgeführt werden. Es wird nämlich Licht sowohl an der inneren als auch der äußeren Oberfläche der Seifenblase reflektiert und überlagert sich dabei.

Problemlösung: Mathematische Rechnerei und physikalische Überlegungen führen zum selben Ergebnis

Die Interferenzen kommen nur dann zustanden, wenn die Dicke einer Schicht die gleiche Größenordnung besitzt wie die Lichtwellenlänge. Die Dicke einer Schicht ist bei Seifenblase ganz einfach die Wandstärke. Jetzt kann man in jedem Tafelwerk nachschlagen, welche Wellenlängen sichtbares Licht hat. Im Tafelwerk findet man, dass blaues Licht eine Wellenlänger von 0,4 Mikrometern hat. Rotes Licht hat dagegen eine Wellenlänge von 0,8 Mikrometer. Jetzt muss man nur noch wissen, dass ein Mikrometer ein tausendstel Millimeter und somit ein millionstel Meter ist. Die Aufgabe kann damit – ohne jede Rechnerei – als gelöst betrachtet werden, denn man weiß nun, dass die bunten Seifenblasen eine Dicke von weniger als einem Mikrometer haben.

Im Laufe eines allzu kurzen Seifenblasen-Lebens verändert sich diese Wandstärke. Dafür sorgt die Schwerkraft, da Seifenwasser von der oberen Blasenhälfte in die untere Blasenhälfte fließt. Die Wandstärke wird schließlich oben so dünn, dass die Seifenblase dort zerplatzt. Genau diese Veränderungen in der Dicke der Seifenblasenwand sehen wir als buntes Farbspiel auf der Oberfläche. An den Stellen, die bei der Seifenblase dünner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht geworden sind, sehen wir die Blase einfach nur farblos. Hier spielt sich zwar immer noch die Interferenz ab. Jedoch nur noch im Bereich vom UV-Licht und diese Art von Licht kann das menschliche Auge nicht mehr wahrnehmen.

Für Seifenblasen gelten die physikalischen Gesetze der Kugel bzw. Hohlkugel

Die Seifenblase ist eine Kugel bzw. eine Hohlkugel. Ihre Form hängt mit der Oberflächenspannung zusammen. Nur Wasser hat eine viel zu große Oberflächenspannung. Daraus kann man keine Wasserblasen erzeugen. Sie hätten übrigens auch absolut keine Stabilität. Erst durch die Seife erfolgt eine Reduktion der Oberflächenspannung, sodass ein fragiles, aber für einen gewissen Zeitraum stabiles Gebilde entsteht.
Letztlich basiert die Kugelform einzig und allein auf physikalischen Naturgesetzen. Die Kugel ist jene Form mit der kleinsten Oberfläche (bei gleichem Volumen). Die Wand einer Seifenblase setzt sich aus Schichten zusammen. Sowohl innen als auch außen befinden sich Seifenmoleküle. In der Mitte fließt das Wasser. In diesem Schichtenaufbau liegt das Geheimnis der Entstehung von Seifenblasen. Nur so können sie zu einer stabilen Kugel aufgeblasen werden.

Leider platzt letztlich jede Seifenblase, weswegen sie zu einer Metapher für alles Vergängliche geworden ist.

 


Quellen:

 

Credits:

1 Seifenblasen-Regen
von Steve Jurvetson (Bubble Rain) [CC-BY-2.0], via Wikimedia Commons

Aktualisiert ( Montag, 18. Juni 2012 um 20:30 Uhr )
 

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