Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum ein Glas, das Sie ganz langsam mit Wasser füllen, nicht sofort überläuft, wenn das Wasser den Rand des Glases erreicht hat? Oder warum Wassertropfen rund sind und auf einmal verlaufen, wenn sie in Kontakt kommen? Die Antwort lässt sich in wenigen Worten zusammenfassen: Es ist die Oberflächenspannung des Wassers. Bleiben Sie dran, Sie werden alles verstehen.
Das kleine Tier, das Sie im Bild oben sehen, hört auf den Namen Gerris lacustris und läuft auf dem Wasser. Was ist sein Geheimnis? Es ist zwar sehr leicht, aber das erklärt nicht alles.
Um dieses Geheimnis zu lüften, müssen wir in die Struktur der wunderbarsten Flüssigkeit eintauchen, die die Natur erfunden hat. Sie ist das A und O von allem Leben auf der Erde sowie aller Wetterphänomene ist: Das Wasser.
Dazu müssen wir über Atome und Moleküle sprechen! Nein, nicht aufgeben – Sie werden sehen, es ist gar nicht so kompliziert.
Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Diese Atome sind einzeln betrachtet elektrisch neutral, da sie gleich viele negativ geladene Elektronen wie positiv geladene Protonen enthalten. Ein Wassermolekül enthält insgesamt 10 Elektronen und 10 Protonen. Diese Elektronen, die sich die drei Atome teilen, sind jedoch nicht gleichmässig im Molekül verteilt, da das Sauerstoffatom um sie buhlt und sie überwiegend zu sich zieht. Daher ist dieses negativ, während die beiden Wasserstoffatome positiv geladen sind. Das Wassermolekül ist polar, weil es sich wie ein kleiner Magnet verhält, dessen positive Seite von der negativen Seite seiner Nachbarn angezogen wird und umgekehrt.
Ein Wassermolekül, das sich, sagen wir, in der Mitte eines Wasserglases befindet, wird von anderen Wassermolekülen umgeben mit denen es sich in alle Richtungen bindet. Da das Molekül gleichzeitig und gleichmässig in alle Richtungen angezogen wird, ist es in der Flüssigkeit sehr stabil.
Die Wassermoleküle an der Oberfläche hingegen werden kaum von den Luftmolekülen (Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf) über ihnen angezogen. Daher sind sie hauptsächlich an die Wassermoleküle unter und neben ihnen gebunden. Obwohl diese Bindungen weniger zahlreich sind, sind sie besonders stark und schwer zu brechen, was der Wasseroberfläche eine grössere «Robustheit» verleiht, die physikalisch durch die «Oberflächenspannung» beschrieben wird.
Wassermoleküle auf der Oberfläche einer Flüssigkeit verhalten sich wie eine mehr oder weniger starre Hülle oder ein Plasikfilm. Dies erklärt die kleinen Vertiefungen, die unter den Beinen von Gerris Lacustris auf dem Foto zu Beginn des Blogs zu sehen sind.
Das maximale Gewicht eines Objekts, das durch die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit in der Schwebe gehalten werden kann, hängt von der Kohäsionskraft (Kraft, die den Zusammenhalt von Atomen und Molekülen der gleichen Art bewirkt) der Flüssigkeitsmoleküle ab.
Die Oberflächenspannung ist in der Lage, auch Gegenstände mit sehr geringem Gewicht zu halten. Der grundlegende Mechanismus, der beim Auftriebsprozess wirkt, ist die archimedische Kraft, deren Gesetz sich wie folgt zusammenfassen lässt: Ein Gegenstand schwimmt, solange das Gewicht der vom Gegenstand verdrängten Flüssigkeit das Gewicht des Gegenstandes selbst übersteigt. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Dichte der Flüssigkeit grösser ist als diejenige des Gegenstandes. Dies ist z.B. der Fall, wenn der Gegenstand hohl ist und sein Volumen viel Luft enthält. Ein Ozeandampfer schwimmt, obwohl er aus Metall besteht, weil das enorme Wasservolumen, das er verdrängt, mehr wiegt als er selbst.
Abschliessend muss noch hinzugefügt werden, dass der Gerris Lacustris nicht ohne Schutz arbeitet und mehr als ein Ass im Ärmel hat. Um seine Schwimmfähigkeit zu gewährleisten, hat er lange Borsten unter seinen Füssen, die mit einem hydrophoben (wasserabweisenden) Wachs beschichtet sind, das zu seiner bemerkenswerten Leistung beiträgt.