Was ist Oberflächenspannung?

Die Oberflächenspannung ist die Kohäsionskraft der Moleküle einer Flüssigkeit. Diese Kraft ermöglicht es der Oberfläche einer Flüssigkeit, bis zu einem gewissen Grad äußeren Kräften zu widerstehen, die auf sie einwirken. Es ist dieser Widerstand, der es beispielsweise einer Büroklammer ermöglicht, auf der Oberfläche eines Wasserglases zu schwimmen, obwohl die Büroklammer eine größere Dichte als das Wasser hat. Die Spannung variiert je nach Flüssigkeit und anderen Faktoren wie der Temperatur.

Die Tendenz einer Flüssigkeit, die Eigenschaft der Oberflächenspannung aufzuweisen, ergibt sich aus der Anziehungskraft, die die Moleküle einer Flüssigkeit füreinander haben. In der Flüssigkeit ist jedes Molekül von anderen Molekülen umgeben und jedes zieht jedes andere umgebende Molekül gleichermaßen an, was zu einer Nettokraft von Null führt. Die Moleküle an der Flüssigkeitsoberfläche sind jedoch nicht in alle Richtungen von anderen Molekülen umgeben. Sie ziehen stärker an den Molekülen in ihrer Nähe und erzeugen eine Oberflächenspannung.

Aufgrund der Oberflächenspannung bilden sich Wassertröpfchen, und es ermöglicht auch, dass Luft in einer Flüssigkeit Blasen bildet. Da Moleküle auf der Oberfläche einer Flüssigkeit andere Moleküle an der Oberfläche anziehen, neigt ein Flüssigkeitsvolumen im Raum dazu, eine Kugel zu bilden, und ohne Schwerkraft bilden Wassertröpfchen perfekte Kugeln. Dies geschieht, weil eine Kugel die Form ist, die für ein gegebenes Volumen die kleinstmögliche Oberfläche hat. Wenn zwei kleine Tröpfchen ohne Schwerkraft kollidieren, führt die Anziehung der Moleküle für andere Moleküle dazu, dass sich die Tröpfchen zu einem größeren Tröpfchen verbinden. Diese Tendenz kann manchmal auch unter normaler Erdgravitation beobachtet werden.

Die längliche Form der Regentropfen ist auf die Schwerkraft der Tropfen zurückzuführen. Die Oberflächenspannung ist in der Regel eine sehr schwache Kraft, sodass die Tröpfchen leicht durch die Schwerkraft oder andere Kräfte wie Zentripetal- oder Zentrifugalkräfte verformt werden. Einige Insekten und sogar Tiere haben sich angepasst, um diese Kraft zu nutzen, so schwach sie auch sein mag. Wasserwanzen und kleine Eidechsen, die Basilisken genannt werden, verlassen sich tatsächlich auf die Oberflächenspannung des Wassers, um darauf zu laufen, ohne zu sinken.

Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, normalerweise in Dyn pro Zentimeter ausgedrückt, ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer bestimmten Flüssigkeit über eine lineare Distanz von einem Zentimeter zu brechen. Ein Dyne ist eine Energie- oder Krafteinheit, die als die Energiemenge definiert ist, die erforderlich ist, um ein Gramm Masse mit einer Geschwindigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat zu beschleunigen. Ein Dyn entspricht auch der Internationalen Standardeinheit (SI) des Mikronewtons.