Lopen over water

Leeftijd: 9-12 jaar

Duur activiteit (exclusief uitleg): 10 minuten

Introductie

Schaatsenrijders gebruiken oppervlaktespanning om over water te lopen.

Je hebt vast wel eens schaatsenrijders over water zien lopen en springen. Hoe doen ze dat?

Schaatsenrijders gebruiken hier een handig trucje voor: oppervlaktespanning. Deze spanning ontstaat doordat watermoleculen elkaar sterk aantrekken, met name aan het wateroppervlak. Door deze sterke aantrekkingskracht ontstaat er een dun laagje, wat kan worden gebruikt als ondergrond door schaatsenrijders. De oppervlaktespanning is kleiner als veel verontreinigende stoffen in het water zitten, doordat de aantrekkingskracht tussen watermoleculen door deze stoffen wordt verzwakt.

Schaatsenrijders hebben nog een extra aanpassing waardoor ze niet zinken: de kleine haartjes op hun poten zorgen ervoor dat ze luchtbellen vasthouden. Hierdoor wordt water afgestoten.

Voorbereiding activiteit

Voor deze activiteit heb je het volgende nodig:

• Punaises (met platte achterkant) of paperclips
• Twee glazen (per groepje leerlingen)
• Afwasmiddel

Ontdek zelf hoe oppervlaktespanning werkt!

1. Maak groepjes van 3-4 leerlingen.
2. Zet twee glazen klaar per groepje leerlingen: één met water en één met water en afwasmiddel (voeg een druppel afwasmiddel toe en roer goed).
3. Elke groep krijgt een (droge!) punaise/paperclip.
4. Plaats voorzichtig een punaise met de pin omhoog in het glas water zonder zeep. De punaise zal blijven drijven. Hoe kan dat?
5. Probeer nu hetzelfde in het glas met zeep. De punaise zinkt vrijwel meteen. Waarom drijft de punaise niet meer? Wat is er veranderd?

Alternatieve activiteit (bij meer tijd): leerlingen knutselen een schaatsenrijder van aluminiumfolie op een paperclip en laten deze drijven, zoals hier te zien is.

Simpele uitleg

Ben je ooit van een (hoge) duikplank gesprongen en slecht geland? Pijnlijk hè? Dat komt doordat de oppervlaktespanning van de bovenste laag water sterker is dan je denkt! Oppervlaktespanning is een kracht die ervoor zorgt dat een laag vloeistof zich gedraagt als een uitgerekt elastisch vel.

Oppervlaktespanning zorgt ervoor dat de punaise op water kan drijven. Afwasmiddel maakt deze laag kapot. Zonder oppervlaktespanning is de punaise te zwaar om op het water te blijven liggen. 

Uitgebreide uitleg

Watermoleculen blijven maar al te graag bij elkaar in de buurt. Alle moleculen in een glas water worden in dezelfde mate en in alle richtingen tot elkaar aangetrokken. Bij de moleculen aan het oppervlak is deze aantrekkingskracht nóg sterker, omdat ze geen watermoleculen boven zich hebben. Ze komen zo dicht bij elkaar dat ze een sterke “huid” vormen aan het wateroppervlak. Deze huid voorkomt dat de punaise (en andere voorwerpen die licht genoeg zijn) wegzakt. Wanneer er afwasmiddel wordt toegevoegd komen er zeepdeeltjes tussen de waterdeeltjes, waardoor de verbinding tussen de waterdeeltjes zwakker wordt en de punaise zinkt.

Nog uitgebreidere uitleg

De oppervlaktespanning van water ontstaat doordat watermoleculen (H2O) elkaar sterk aantrekken. Deze aantrekkingskracht wordt veroorzaakt door de vorming van waterstofbruggen (H-bindingen) en wordt ook wel de Vanderwaalskracht genoemd. De elektrische lading van watermoleculen is niet gelijkmatig verdeeld, waardoor de positief geladen voorkant (H's) van het ene molecuul sterk trekt aan de negatief geladen achterkant (O) van het andere molecuul. De oppervlaktespanning die hierdoor ontstaat is zo sterk dat het wateroppervlak kleine voorwerpen (zoals de punaise) en insecten die zwaarder zijn, nu kan dragen.

Wanneer er afwasmiddel wordt toegevoegd neemt de oppervlaktespanning sterk af, omdat veel waterstofbruggen tussen de watermoleculen worden verbroken. De staart van een zeepdeeltje wordt door water afgestoten (want deze is hydrofoob), waardoor het deeltje naar het wateroppervlak beweegt. De bindingen die zeepdeeltjes vormen met watermoleculen zijn veel zwakker dan de waterstofbruggen tussen de watermoleculen. In met zeep vervuild water is de oppervlaktespanning te zwak om een punaise of schaatsenrijder te ondersteunen, waardoor deze zinken.

Geïnspireerd door schaatsenrijders hebben onderzoekers een robotachtig insect ontwikkeld dat in staat is over wateroppervlakken te lopen en springen. Het robotinsect gebruikt dezelfde oppervlaktespanning als de schaatsenrijder, en kan zich afzetten zonder het wateroppervlak te doorbreken. De neerwaartse kracht tijdens het afzetten is namelijk nooit groter dan de oppervlaktespanning van het water. 

Hoewel de onderzoekers met hun robotinsect wilden bestuderen hoe schaatsenrijders over water lopen, kunnen zij er ook een milieutoepassing aan koppelen. In de toekomst zou een netwerk van dit soort robotinsecten kunnen worden ingezet om met behulp van minisensoren informatie over de conditie van waterwegen (bijvoorbeeld de hoeveelheid vervuiling) te registreren. 

Kun jij denken aan een andere toepassing?

• Nederlands: Kerndoel 2, Kerndoel 3, Kerndoel 12
• Oriëntatie op jezelf en de wereld: Kerndoel 39, Kerndoel 40, Kerndoel 41, Kerndoel 42

• In deze video wordt het mechanisme van de schaatsenrijder verder uitgelegd.
• Demonstratievideo's van de robotinsecten vind je hier en hier.