Ben je in de buurt van een slootje of meertje? Kijk dan eens of je insecten ziet die over het water lopen, zoals de schaatsenrijder of het schrijvertje. Waarom kunnen deze insecten over het water lopen en waarom kunnen wij dat niet?
Over water lopen, dat kan toch niet? Toch wel, sommige insecten zijn heel goed in staat om over het water heen te lopen. Kijk maar eens naar dit insect, de schaatsenrijder.
Figuur 1: Schaatsenrijder die over het water loopt. Bron: Wikikids.
Wat je ook wel eens ziet in de natuur, is dat de regen die gevallen is mooie druppels vormt, bijvoorbeeld op het blad van een plant. Dat zie je in figuur 2.
Figuur 2: Waterdruppels op het blad van de plant vrouwenmantel. Bron: Unsplash - Georg Eiermann.
Beide fenomenen hebben te maken met hetzelfde verschijnsel. Ze hebben te maken met de eigenschappen aan het oppervlak van vloeistoffen, zoals water. We gaan nu eens kijken of we net als bij het insect ook iets op het wateroppervlak kunnen laten drijven.
Benodigdheden
- Twee diepe borden (bij voorkeur een lichte kleur)
- Gemalen peper (zwarte peper is beter zichtbaar dan witte)
- Een paperclip
- Water
- Afwasmiddel (zeep)
Wat moet je doen?
Peper experiment
- Giet een laagje water in het diepe bord.
- Strooi peper op het wateroppervlak.
- Druppel nu voorzichtig een klein beetje afwasmiddel op het water in het bord.
Wat zie je gebeuren?
Heb je een idee waarom dit gebeurt?
De drijvende paperclip
Nu ga je een soortgelijk experiment doen met een paperclip.
- Giet een laagje water in het andere diepe bord.
- Leg nu heel voorzichtig de paperclip op het water. Als het goed is drijft de paperclip op het water.
Wat denk je dat er gebeurt als je net als in het vorige experiment een druppel afwasmiddel in het water giet?
- Druppel nu voorzichtig een klein beetje afwasmiddel midden op het water.
Figuur 3: Paperclip drijft op het water.
Wat gebeurt er nu?
Klopt dit met wat je dacht?
Wat gebeurt er?
Waarom kunnen sommige insecten op het water staan?
Dat sommige insecten op het water kunnen staan, heeft alles te maken met de oppervlaktespanning van water. Met oppervlaktespanning bedoelen we dat de watermoleculen – dit zijn de kleinste deeltjes waaruit water bestaat die de eigenschappen van water hebben – elkaar zo stevig vasthouden, oftewel de kracht tussen de watermoleculen onderling is zo groot, dat de watermoleculen aan het wateroppervlak een soort sterk vlies vormen.
Dat het wateroppervlak door de oppervlaktespanning een soort sterk vlies vormt, kun je heel goed zien bij het insect. Als je kijkt waar de pootjes het water raken, dan zie je dat er bij elk pootje een soort deukje in het wateroppervlak ontstaat. Je zou het kunnen vergelijken met een trampoline. Als je hier op gaat staan, ontstaat er een deukje in de trampoline waar jouw voet staat. Maar de trampoline blijft wel heel, omdat het trampolineoppervlak heel stevig is. Zo ontstaat er bij het insectenpootje op het wateroppervlak ook een deukje doordat het pootje op het water drukt. Maar de waterlaag blijft wel heel!
Een insect is natuurlijk heel licht. Hierdoor is de zwaartekracht die het insect naar beneden trekt niet sterk genoeg om het vlies te breken. Datzelfde geldt voor de peper die je op het water strooit en voor de paperclip. Als jij op het water gaat staan is dat natuurlijk heel anders: jouw massa is veel groter dan die van het insect, waardoor de zwaartekracht die op jou werkt veel groter is. Door deze sterke kracht op het wateroppervlak breekt het ‘watervlies’ en zak je meteen door het wateroppervlak. Heel jammer natuurlijk!
Wat gebeurt er met de peper als je afwasmiddel toevoegt?
Wanneer je afwasmiddel toevoegt in het midden van het bord met peper, dan gaan de zeepmoleculen hier tussen de watermoleculen zitten. De zeepmoleculen verbreken daardoor de sterke bindingen tussen de watermoleculen. Daar waar zeepmoleculen aan het wateroppervlak zitten, is de oppervlaktespanning daarom veel lager, dan meer naar de rand waar nog wel alleen watermoleculen zitten.
In het bord is nu dus een gedeelte met een hoge oppervlaktespanning (schone water aan de buitenrand) en een deel met een lagere oppervlaktespanning (water met zeep in het midden). Door dit verschil in oppervlaktespanning gebeurt er iets bijzonders. De vloeistof met de hoge oppervlaktespanning trekt harder aan zijn omgeving dan de vloeistof met de lage oppervlaktespanning. Hierdoor wordt het water met de peper erop naar de rand van het bord getrokken. Dit effect noem je het Marangoni-effect. Na verloop van tijd verspreiden de zeepmoleculen zich steeds meer naar de rand en is er geen verschil meer in oppervlaktespanning. De peper zal dan aan de rand van het bord blijven drijven.
Figuur 4: Hier zie je wat er gebeurt met de peper als je er afwasmiddel bij doet.
Wat gebeurt er met de paperclip?
Als je in plaats van peper een paperclip op het water laat drijven, dan merk je dat wanneer je afwasmiddel toevoegt de paperclip zinkt. Dit komt omdat je ook hier de oppervlaktespanning verlaagt. De zwaartekracht die op de paperclip werkt is nu groter dan de oppervlaktespanning, waardoor het watervlies breekt en de paperclip zinkt.
Waarom ontstaan er bolletjes water?
Hoe hoger de oppervlaktespanning is, hoe meer een vloeistof op een vast oppervlak een mooi bolletje vormt. Het blad van de plant vrouwenmantel, dat je zag in figuur 2, is een beetje waterafstotend. Hierdoor maken de watermoleculen het liefst zo min mogelijk contact met het bladoppervlak. De oppervlaktespanning van het water zorgt er dan voor dat de watermoleculen heel sterk naar elkaar toe trekken en er mooie ronde druppels ontstaan op het plantenblad.
Op de Australische website Fizzicseducation staat dit proefje ook uitgelegd.
