Neem twee glazen en vul die met water. Het ene met koud water van hoogstens 10 graden Celsius, het andere met water dat tot zo’n 40 graden is verwarmd. Plaats beide glazen in de diepvriezer en wacht af. Tien tegen één dat het warme water bevroren is nog vóórdat het koude dat doet. Hoe kan dat?

Dat merkwaardig verschijnsel staat bekend als het ’Mpemba-effect. Het is genoemd naar de Tanzaniaanse student Erasto Mpemba, die het in 1969 opmerkte bij het bereiden van roomijs. Mpemba ontdekte dat roomijs sneller wordt gevormd als je het mengsel vooraf tot kamertemperatuur verwarmt en dan pas bevriest. Later bleek dat het effect al langer bekend is. In de vierde eeuw voor onze jaartelling schreef de Griekse filosoof Aristoteles: “Wanneer water vooraf verwarmd wordt, draagt dat ertoe bij dat het sneller bevriest, want zo koelt het sneller af. Daarom dat veel mensen, wanneer zij water sneller willen afkoelen, het eerst in de zon plaatsen.”

Wat is de verklaring? Het Mpemba-effect duikt regelmatig op en telkens opnieuw ontstaan ellenlange, wetenschappelijke discussies. Natuurlijk bevriest het warme water niet terwijl het nog warm is. Het moet eerst zijn afgekoeld tot beneden 0 ^oC. Daalt de temperatuur van het warme water dan zo veel sneller dan die van het koudere water? Kan het warme water het koudere inhalen en als eerste koud genoeg worden om te bevriezen? Eén ding staat vast: het effect kan niet worden veroorzaakt door de verdamping van het warme water (waardoor minder water ter bevriezing zou overblijven). Het verschijnsel doet zich ook voor in toegedekte glazen waaruit geen damp kan ontsnappen.

Wat wél een rol zou kunnen spelen, is de lucht die in water is opgelost. Misschien belemmeren gasmoleculen in water de vorming van ijskristallen. Als water eerst wordt verwarmd, ontsnapt daaruit een deel van die lucht en kan het ijs zich gemakkelijker vormen. Een tweede mogelijke verklaring heeft te maken met de bodem waarop het glas in de diepvriezer wordt geplaatst. Vaak zal daar een laagje ijs op liggen. Het ijs, dat bestaat uit aangevroren waterdamp, is poreus en maakt daardoor op een beperkt aantal punten contact met het glas. Daardoor is er een slechte geleiding van de warmte. Maar als een warm glas in de diepvriezer wordt gezet, zal het ijs eronder smelten. Het smeltwater maakt een beter contact met het glas dan het poreuze ijs en ook nadat het weer bevroren is, volgt het perfect de vorm van de onderkant van het glas. Zo ontstaat er een goede geleiding van de warmte en kan het warme water zijn warmte snel verliezen.

Een derde mogelijke verklaring is dat in warm water het temperatuurverschil tussen boven- en onderkant groter is. Er ontstaan stijgende stromen van warm water en dalende van koud water. Dat leidt misschien tot een gelijkmatiger koeling waardoor het water sneller in zijn geheel bevriest.

Heeft de Duitse natuurkundige David Auerbach van het Max Planck instituut de oplossing van het raadsel gevonden? Auerbach liet bekers water van verschillende temperatuur afkoelen in een bad met koude alcohol. Zo hoefde hij niet telkens de deur van een vriezer te openen en kon hij het bevriezingsproces ook zonder het te verstoren volgen. Auerbach stelde vast dat het aanvankelijk warme water vaak bij een wat hogere temperatuur bevriest dan het koude water. In de praktijk bevriest water nooit exact bij 0 ^oC. Vaak treedt onderkoeling op. Water dat voorzichtig wordt afgekoeld, blijft vloeibaar, ook wanneer de temperatuur onder het vriespunt daalt. Het bevriezen begint pas wanneer deze onderkoelde vloeistof verstoord wordt, bijvoorbeeld door een trilling. Verder stelde Auerbach vast dat de meeste kans om het warme water eerst te zien bevriezen zich voordoet als de temperatuur van het alcoholbad of van de vriezer niet kouder dan 5 of tien graden onder nul is. Dat is ook de temperatuur waarbij roomijs bereid wordt, zodat de Tanzaniaanse student het bij het rechte eind had.

Hoewel het verschijnsel nu wetenschappelijk is waargenomen, is nog steeds niet precies duidelijk door wélk mechanisme het warme water eerder bevriest. Maar misschien maakt dat hem nou juist zo leuk. Normaal komt natuurkunde pas in het nieuws als het om de bouw van grote deeltjesversnellers gaat, lasers waarmee kernfusie moet worden opgewerkt of andere spectaculaire apparaten. Dit keer gaat het om iets dat zich in iedere huishouden kan afspelen en dat jarenlang over het hoofd is gezien. Je moet er maar oog voor hebben, net als voor de andere raadsels die hieronder staan beschreven.

Waarom kleeft een bierviltje aan een glas?

Bierviltjes en onderzetters blijven kleven omdat ze zich vastzuigen. Het heeft niets te maken met kleverigheid van een gemorst drankje maar met de luchtdruk. Als een glas op een viltje wordt gezet, absorberen de vezels van het viltje het vocht of de condens van de buitenkant van het glas. Door die absorptie ontstaat er leegte tussen het viltje en het glas, zelfs als dat laatste van een voetje is voorzien. De atmosferische druk aan de onderkant van het viltje is daardoor groter. Dit ‘drukt’ het viltje tegen het glas. Natuurlijk moet het viltje nog niet doorweekt van het vocht zijn, zodat er nog genoeg vocht door de capillaire ruimten in het karton kan worden opgezogen.

Waarom druipt thee altijd langs de tuit van een theepot?

Dit hinderlijke verschijnsel komt door een verschil in stromingssnelheid. Er ontstaan minuscule vloeistofwervels in de onderkant van de straal thee, die de hogergelegen vloeistofstroom meetrekken. Daardoor krijg je een versnelling en als gevolg daarvan een lagere druk. De luchtdruk aan de bovenkant van de straal blijft normaal, maar wordt in verhouding hoger. Dit duwt de theestraal om de tuit heen en dus lijkt het net alsof de vloeistof aan de theepot blijft plakken. Het verschijnsel van stromende vloeistoffen of gassen die de kromming van een oppervlak volgen, heet het ‘Coanda-effect’, genoemd naar de Roemeense luchtvaartingenieur Henri Coanda (1885-1975). Hij had een soort straalmotor bedacht en zag tijdens de eerste vlucht dat de straal naar de romp van zijn toestel toe werd gezogen, ondanks de metalen platen die dat moesten voorkomen. Coanda raakte er zo door gefascineerd dat hij niet in de gaten had dat hij op een muur afvloog en crashte.

Waarom blijven ijsblokjes vastzitten aan de vingers?

IJsblokjes plakken vast doordat onze vingers deels bevriezen. De kou van het ijsblokje dringt door de huid waardoor het vocht en het zweet daar bevriest. De minuscule ijsmoleculen die door de huidporiën naar buiten komen (als water bevriest, zet het uit) vormen chemische bindingen met het ijsblokje. Die adhesie kan nog pijnlijk zijn ook, want ze is sterk genoeg om bij het uiteentrekken van de vingers de opperhuid los te scheuren. Gelukkig duurt blijven ijsblokjes niet lang vastzitten omdat de warmte van de vingers het ijs aan de buitenkant als snel doet smelten.

Waarom draait honing in elkaar als hij uitstroomt?

In het begin stroomt honing recht naar beneden. Maar je hoeft de pot in je handen slechts een heel kleine beetje te bewegen om het honingstraaltje een afwijking te geven. Viscositeit (stroperigheid), waardoor de moleculen zich minder snel verplaatsen, doet de rest. In plaats van verticaal, valt het straaltje honing scheef. Als het neerkomt, gaat het daardoor in cirkels bewegen en vormt plooiingen of zelfs een hele wrong.

Waarom gaat rook plotseling wervelen?

Tabak smeult en is daardoor warm. De rook die er vanaf komt is een stuk warmer dan de omringende lucht. Warme lucht stijgt op doordat de dichtheid lager is dan die van koude lucht. Tijdens het stijgen wisselt de rook warmte uit met de omgeving en koelt daardoor af. Zodra het temperatuursverschil met de omgeving klein is geworden, houdt de rook op met stijgen. In de tussentijd blijft de aanvoer van warme rook doorgaan. De afgekoelde rook wordt door de voortdurende luchtaanvoer van onderaf opzij geduwd. Daardoor verspreidt de rook zich in alle richtingen in een min of meer horizontaal vlak en ontstaan wervels.

Waarom kleeft folie vast?

Plastic huishoudfolie kleeft vast door statische elektriciteit. De plastic film is een goede isolator en de elektrische ladingen op zijn oppervlak kunnen zich niet verplaatsen. Doordat de dunne folie zich om alle uitstekende delen en onregelmatigheden plooit, wordt het contactoppervlak zeer groot en gaan de elektrische ladingen zich ten opzichte van het glas of aardewerk gedragen als een grote hoeveelheid magneetjes. Als de folie vochtig wordt, gaat hij slechter kleven doordat water stroom geleidt en de elektrische ladingen ontsnappen.

Waarom wordt een waterstraal nauwer?

Als water uit de kraan stroomt, blijft de diameter van de straal verscheidene centimeters constant. Maar de waterstraal valt – evenals elk ander voorwerp onder invloed van de zwaartekracht – steeds sneller omlaag. Die versnelling rekt de straal water uit als een elastiek. De straal wordt dunner en vertoont na verloop van tijd zelfs afsnoeringen in de vorm van druppels.

Waarom zigzaggen regendruppels omlaag langs een ruit?

Druppels zijn lui: ze volgen de weg van de minste weerstand. Een druppel die langs een ruit naar beneden glijdt, staat bloot aan de werking van de zwaartekracht én elektrostatische krachten die hem laten vastkleven. Het oppervlak van het glas is verre van gelijkmatig. Sommige stukjes zijn in meer of mindere mater vettig of ruw. De druppels volgen een wisselvallig traject waar de elektrostatische krachten op lager gelegen plekken het geringst zijn.

Waarom spuit een fles frisdrank als je hem schudt voor het openen?

Normaal is er een evenwicht tussen de hoeveelheid opgeloste CO₂ en de vrije CO₂ boven de vloeistof. Maar de fles te schudden ontstaan lokaal drukvariaties in de vloeistof. Op sommige plekken daalt de druk onder de verzadigingsdruk, zodat CO₂ uit de oplossing vrijkomt in de vorm van belletjes. Daardoor stijgt ook de druk in de gasruimte boven de vloeistof. Als de fles wordt geopend spuit het gas met een deel van de vloeistof eruit.

Waarom geven TL-buizen ook als ze uitgeschakeld zijn nog een spookachtig licht?

Een lamp wordt met twee draden aangesloten. Daarvan staat één (de fasedraad) onder spanning, de ander (de nuldraad) niet. Als een van beide draden door een schakelaar wordt onderbroken, doet de lamp het niet. Toch kan de schakelaar het beste worden gemonteerd in de fasedraad. Anders blijft er altijd spanning op de lamp staan, waarvan altijd iets weglekt naar de omgeving. Die uiterst kleine lekstroom die dan gaat lopen, is bij een TL-lamp net voldoende om de fluorescerende laag in de buis te laten oplichten. ’s Nachts is dat als een spookachtig, flakkerend licht te zien. Door de stekker andersom in het stopcontact te steken, worden fasedraad en nuldraad omgewisseld en houdt het schijnsel op.

Waarom traant de wijn?

Wie een liefhebber van wijn of port is, ziet de natuurkunde voor zich in het glas. Wijn heeft namelijk ‘pootjes’. Wie een glas wijn rondwalst, tot rust laat komen en daarna tegen het licht houdt, ziet druppels die als tranen langs de binnenkant van het glas naar beneden stromen. Die druppels heten ‘jambes’. Frans voor ‘benen’, en in dit geval ‘pootjes’. Hoe dichter die pootjes bij elkaar staan (dus hoe dichter de druppels naast elkaar naar beneden komen), des te hoger is het alcoholgehalte van de wijn. Het fraaist zijn ze dan ook te zien bij port, want dat is een tot 18 à 20 procent alcoholgehalte versterkte wijn.

De eerste die zich serieus met de studie van de pootjes bezighield, was de Britse ingenieur en fysicus James Thomson. In 1855 merkte hij dat het verschijnsel niets te maken had met de condensatie van waterdamp op het koele glas. De druppels bleven ook stromen als het glas op kamertemperatuur was gekomen. Thomson concludeerde daarop terecht dat de druppels ontstonden door verschillen in oppervlaktespanning. Die verschillen treden op naarmate alcohol verdampt uit de dunne wijnfilm langs de binnenkant van het glas.

Een vloeistofoppervlak heeft altijd een zekere oppervlaktespanning. Daardoor gedraagt het zich als een gespannen vlies. Gewoon water heeft bijvoorbeeld een sterke oppervlaktespanning. Als alcohol wordt toegevoegd, verlaagt echter de oppervlaktespanning. Vandaar dat wijn een veel geringere oppervlaktespanning heeft.

Als wijn aan de lucht wordt blootgesteld, verdampt de alcohol erin voortdurend. Aan het vloeistofoppervlak gaat dat natuurlijk geleidelijk. Maar in de dunne film die tijdens het walsen langs het glasoppervlak is ontstaan, gaat dat veel sneller. Daar vormt zich dus een veel wateriger wijnvocht met een hogere oppervlaktespanning. Dat trekt nieuwe, alcoholhoudende wijn langs het oppervlak van het glas omhoog.

Thomson zag hoe de omhooggetrokken wijn een dikke rand vormt langs de bovenkant. Omdat het verdampingsproces ook daar plaatsvindt, wordt de oppervlaktespanning zo groot dat zich druppels vormen. Uiteindelijk worden die zo zwaar dat ze terug glijden in de wijn. Spoedig nadat de druppel is teruggegleden, ontstaat echter weer een nieuwe omdat opnieuw wijn omhoog wordt getrokken. Dit gaat net zo lang door totdat zo veel alcohol is verdampt, dat de spanningsverschillen te klein worden om de cyclus in stand te houden.

Het verschijnsel van vloeistofstroming langs de wand van het wijnglas, aangedreven door verschillen in oppervlaktespanning, staat bekend als het ‘Marangoni-effect’. Het is ook verantwoordelijk voor de stabiliteit van een zeepvlies. Een zeepvlies is een dun waterfilmpje dat aan de buitenkant dicht bezet is met zeepmoleculen, die met een lange, zogenaamde apolaire ‘staart’ naar buiten steken. Als een zeepvlies wordt opgerekt en te dun dreigt te worden, daalt ook de dichtheid van de zeepmoleculen aan het oppervlak. Daardoor stijgt op die plaats de oppervlaktespanning, waarna het Marangoni-effect aan het omringende deel van het zeepvlies trekt. De zeep in de meegesleurde vloeistof vult het tekort aan en repareert de plaatselijke verdunning.

Zeepmoleculen verdampen niet zoals alcohol. Voeg een scheutje afwasmiddel toe aan wijn en de pootjes verdwijnen. Als het glas hermetisch wordt afgesloten, bijvoorbeeld met vershoudfolie, verdwijnen de pootjes eveneens. De lucht in het glas raakt dan verzadigd door alcohol en er valt niets meer te verdampen. Haal de folie weg en het verschijnsel treedt onmiddellijk weer op.