Warum spritzt ein Wassertopfen, wenn er auf den Untergrund fällt? Eine verborgene Eigenheit dieses scheinbar so alltäglichen Phänomens hat nun ein Mathematiker aufgedeckt. Demnach spielt nicht nur die kinetische Energie des Tropfens für das Spritzen eine Rolle, sondern auch eine ultradünne Luftschicht, die zwischen Tropfen und Unterlage quasi eingeklemmt wird. Die Physik dahinter könnte auch erklären, warum Regen auf hohen Bergen weniger spritzt als im Tal.

Wenn Wassertropfen auf eine feste Oberfläche fallen, breiten sie sich nur selten einfach als dünner Film aus. Stattdessen prallen sie ab und zumindest ein Teil des Wassers springt als Minitröpfchen wieder in die Höhe – es spritzt. Auf den ersten Blick mag das logisch erscheinen, denn offenbar wird die Geschwindigkeit des fallenden Tropfens und damit seine kinetische Energie nicht vollständig vom Untergrund absorbiert.

Luftpolster als Bremse

Doch James Sprittles von der University of Warwick hat noch eine andere Ursache für das Tropfenspritzen ausgemacht: Luft. Wie er feststellte, wirkt eine ultradünne Luftbarriere zwischen Tropfen und Untergrund als Bremse. Sie wird zwischen Tropfen und Untergrund quasi eingeklemmt und verhindert, dass sich das Wasser des Tropfens schnell genug auf der Oberfläche verteilt. Als Folge „stolpert“ der Tropfen gewissermaßen und es spritzt.

Wie Berechnungen und Experimente ergaben, reicht eine Luftschicht von einem Mikrometer Dicke – 50 Mal dünner als ein menschliches Haar – aus, um einen tausendfach größeren Tropfen aufzuhalten. Würde man diesen Effekt hochskalieren, entspräche dies einem einen Zentimeter dicken Luftpolster, das eine Tsunamiwelle aufhält.

Luftdruck entscheidend

„Man würde nie erwarten dass ein scheinbar so alltägliches Ereignis eine solche Komplexität zeigt“, sagt Sprittles. Die Luftschicht sei so dünn, dass physikalische Effekte wie die Boltzmann-Konstante und die Teilchenbewegung für das Bremsverhalten eine wichtige Rolle spielen. In herkömmlichen Modellen des Tropfenverhaltens wurde dieser Aspekt bisher nicht berücksichtigt, wie der Mathematiker erklärt.

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Das Modell erklärt auch, warum Wassertropfen auf hohen Bergen weniger spritzen als im Tal: Sinkt der Luftdruck, kann die zwischen Tropfen und Oberfläche eingesperrte Luft leichter entweichen. Als Folge begegnet das sich ausbreitende Wasser weniger Widerstand und es spritzt weniger, so Sprittles.

Von 3D-Druck bis Klimaforschung

Nützlich ist die neue Erkenntnis für eine ganze Reihe von Anwendungen, wie der Mathematiker erklärt. So könnte dies helfen, den 3D-Druck präziser und besser zu machen, indem die Bildung unerwünschter Materialspritzer reduziert wird.

„Die neue Theorie könnte aber auch Anwendungen in der Klimaforschung haben, beispielsweise um zu verstehen, wie Wassertropfen bei der Wolkenbildung kollidieren oder wie viel Gas bei Regenfällen in den Ozean eingetragen wird“, erklärt Sprittles. (Physical Review Letters, 2017; (University of Warwick, 20.03.2017 – NPO)

20. März 2017