Die faszinierende Physik in jeder Tasse Kaffee

Zusammenfassung: Kaffee ist mehr als nur ein Genussmittel – er zeigt uns faszinierende physikalische Phänomene. Lichtbrechung, Klangveränderung und Dichteunterschiede sorgen für erstaunliche Effekte in jeder Tasse. Wer genau hinschaut, entdeckt Wissenschaft im Alltag!

Inhaltsverzeichnis

• Lichtmuster im Kaffee: Das Phänomen der optischen Kaustik
• Der Klang von Kaffeetassen
• Der Hot Chocolate- bzw. Coffee-Effekt: Warum ändert sich der Ton beim Umrühren?
• Doppelte Diffusionskonvektion: Die Geheimnisse des Latte Macchiato
• Warum Kaffeeflecken immer dunkle Ränder haben
• Wie Temperatur die Crema auf dem Espresso beeinflusst
• Fazit: Physik im Alltag erleben

Kaffee ist für viele Menschen ein tägliches Ritual – ein Moment der Ruhe oder der perfekte Start in den Tag. Doch eine Tasse Kaffee steckt voller faszinierender physikalischer Phänomene, die uns oft verborgen bleiben. Ob Lichtreflexionen auf dem Boden der Kaffeetasse, das veränderte Klangbild beim Anschlagen mit dem Löffel oder die charakteristische Färbung von Kaffeeflecken auf dem Tisch – all das lässt sich mit wissenschaftlichen Prinzipien erklären. Kaffee verbindet Chemie, Physik und Sensorik auf eine Weise, die unser tägliches Erlebnis bereichert. Ein paar der faszinierendsten Fakten haben wir einer neuen Studie entnommen, die gemeinsam von Aleksi Bossart, Romain Fleury und Benjamin Apffel am Swiss Science Center Technorama und der Technischen Hochschule in Lausanne erstellt wurde. (1)

Lichtmuster im Kaffee: Das Phänomen der optischen Kaustik

Vielleicht ist es Ihnen schon einmal aufgefallen: Wenn Licht auf den Boden einer fast leeren oder halbvollen Kaffeetasse trifft, entstehen komplexe Muster, die sich mit der Bewegung der Lichtquelle verändern. Dieses Muster nennt man „Kaustik“. Es entsteht, weil das Licht durch die Krümmung der Tasse gebündelt wird und sich an bestimmten Stellen konzentriert. Ein ähnliches Phänomen sieht man, wenn Sonnenlicht auf Wasser trifft und an den Rändern von Gläsern oder in Schwimmbecken helle Linien bildet. Je nach Füllstand und Material der Tasse verändern sich diese Muster und können besonders in Glas- oder Keramiktassen eindrucksvolle Effekte erzeugen. Zudem beeinflusst die Form des Gefäßes die Art der Lichtbrechung, was zu einzigartigen Mustern führen kann.

Der Klang von Kaffeetassen

Ein weiteres faszinierendes Phänomen ist die Veränderung des Klanges, wenn man mit einem Löffel an die Tasse klopft. Wenn Sie an verschiedenen Stellen auf den Rand schlagen, hören Sie möglicherweise unterschiedliche Töne. Der Grund dafür liegt in den Schwingungsmustern der Tasse: Die Form und das Material der Tasse erzeugen unterschiedliche Resonanzen. Besonders die Henkel beeinflussen die Schwingungen, wodurch sich bestimmte Frequenzen leicht verschieben. Die Dicke der Tassenwände sowie die Füllmenge haben ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf den Klang. Dies ist auch der Grund, warum dünnwandige Porzellantassen oft klarere Töne erzeugen als dickwandige Keramiktassen. Interessanterweise gibt es Musikinstrumente, die auf einem ähnlichen Prinzip basieren, wie etwa das Glasharfeninstrument, bei dem Wasser gefüllte Gläser durch Reibung zum Klingen gebracht werden.

Es gibt aber noch weitere Ursachen, die die Tonhöhe beeinflussen können:

Der Hot Chocolate- bzw. Coffee-Effekt: Warum ändert sich der Ton beim Umrühren?

Wer schon einmal eine frische Tasse Kaffee oder Kakao umgerührt hat, kennt das Phänomen: Klopft man mit dem Löffel gegen den Boden, klingt der Ton zunächst tief, wird aber nach und nach höher. Der Grund? Beim Umrühren werden kleine Luftblasen in die Flüssigkeit eingebracht. Diese beeinflussen die Geschwindigkeit des Schalls im Getränk, da Luft eine geringere Dichte als Wasser oder Kaffee hat. Während die Luftblasen nach oben steigen und entweichen, ändert sich die akustische Resonanz – und damit auch die Tonhöhe.

Ein besonders anschauliches Beispiel liefert eine frische Tasse Espresso. Wenn der Espresso frisch aus der Maschine kommt, enthält er viele winzige Kohlendioxidblasen, die sich in der Flüssigkeit verteilen. Beim Umrühren gelangen noch mehr Luftblasen hinein. Diese Blasen verändern nicht nur die Dichte der Flüssigkeit, sondern auch die Art, wie der Schall sich in der Tasse ausbreitet. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Tonhöhe nach mehreren Rührbewegungen kontinuierlich ansteigt, da die Blasen in der Flüssigkeit allmählich zerplatzen und die akustischen Eigenschaften sich entsprechend anpassen.

Ein ähnlicher Effekt tritt auf, wenn sich die Temperatur des Getränks ändert. Wärmerer Kaffee hat eine geringere Dichte, was ebenfalls Auswirkungen auf die Schallausbreitung hat. Dieser Effekt kann auch in anderen Flüssigkeiten beobachtet werden, etwa in kohlensäurehaltigen Getränken, bei denen der Klang sich verändert, wenn die Kohlensäure entweicht.

Doppelte Diffusionskonvektion: Die Geheimnisse des Latte Macchiato

Ein gut gemachter Latte Macchiato zeigt eine klare Trennung zwischen Espresso, Milch und Milchschaum. Doch warum bleibt diese Schichtung bestehen und vermischen sich nicht sofort miteinander? Die Antwort liegt in der sogenannten „doppelten Diffusionskonvektion“. Beim Einschenken in ein Latte Macchiato-Glas trifft der heiße Espresso auf die kühlere Milch, was zu einem Temperatur- und Dichteunterschied führt. Während Wärme schneller durch das Getränk diffundiert (verschmilzt), bleibt der Dichteunterschied länger bestehen. Dadurch entstehen Konvektionsströme, die sich in klar getrennten Schichten ausgleichen. Dieses Prinzip findet sich auch in der Natur, zum Beispiel in Ozeanen oder in der Atmosphäre. Ein gut geschichteter Latte ist also nicht nur ein Genuss für den Gaumen, sondern auch ein kleines Wunder der Physik. Die Art und Weise, wie der Espresso in die Milch gegossen wird, beeinflusst dabei maßgeblich die Bildung der Schichten. Zudem spielen Faktoren wie die Milchschaumkonsistenz und das Rühren des Getränks eine Rolle dabei, wie lange die Schichtung erhalten bleibt.

Warum Kaffeeflecken immer dunkle Ränder haben

Fast jeder Kaffeetrinker kennt sie: die dunklen Ringe, die entstehen, wenn eine Kaffeetropfen auf der Tischplatte trocknet. Aber warum sammelt sich das Kaffeepulver am Rand und lässt diesen dunkler erscheinen? Dieses als „Kaffeeflecken-Effekt“ bekannte Phänomen entsteht, weil das Wasser im Tropfen schneller an den Rändern verdunstet. Dadurch fließt mehr Flüssigkeit von der Mitte nach außen, um den Wasserverlust auszugleichen – und nimmt dabei die gelösten Kaffeepartikel mit. Wenn das Wasser schließlich komplett verdunstet ist, bleibt am Rand ein dunkler Ring aus konzentrierten Kaffeepartikeln zurück. Dies ist nicht nur ein ästhetisches Phänomen, sondern hat auch praktische Anwendungen, etwa bei der Tintenentwicklung für Drucker oder bei biologischen Tests, die auf ähnlichen Prinzipien beruhen. Eine ähnliche Erscheinung lässt sich auch bei Weinflecken beobachten, die durch die Verteilung der Farb- und Gerbstoffe beim Verdunsten entstehen.

Wie Temperatur die Crema auf dem Espresso beeinflusst

Espresso-Liebhaber schätzen eine dichte, goldbraune Crema auf ihrem Getränk. Doch was beeinflusst die Qualität der Crema? Neben der Frische der Bohnen spielt vor allem die Temperatur eine entscheidende Rolle. Während des Brühvorgangs entstehen winzige Gasblasen, die sich in der dichten Crema sammeln. Ist das Wasser zu heiß, verdampft zu viel Kohlendioxid, und die Crema wird dünn und instabil. Ist das Wasser zu kalt, bildet sich eine blasse, weniger dichte Crema. Die ideale Brühtemperatur liegt zwischen 90 und 96 Grad Celsius, um eine perfekte Balance aus Geschmack und Textur zu erreichen. Zusätzlich beeinflusst der Mahlgrad des Kaffees und der Druck der Espressomaschine die Crema-Bildung erheblich.

Fazit: Physik im Alltag erleben

Kaffee ist nicht nur ein Genussmittel, sondern auch ein wunderbares Beispiel für die Schönheit der Physik im Alltag. Wer sich genauer mit den Phänomenen in seiner Tasse beschäftigt, entdeckt spannende Zusammenhänge zwischen Optik, Akustik und Thermodynamik. Beim nächsten Kaffee lohnt es sich also, genauer hinzuschauen – vielleicht entdecken Sie noch weitere Geheimnisse in Ihrer Tasse. Ein bewusster Umgang mit der Zubereitung und eine genaue Beobachtung der Prozesse machen das Kaffeeerlebnis noch faszinierender. Wissenschaftliche Prinzipien beeinflussen nicht nur den Geschmack, sondern auch die Ästhetik und das gesamte Erlebnis rund um den Kaffee.

Links:

(1) https://arxiv.org/pdf/2501.01180