Süddeutsche Zeitung

Alltagswissenschaft:Forscher entschlüsseln die Physik des Wassertropfens

  • Wie genau gleiten Tropfen auf einer Oberfläche?
  • Die Frage spielt im Alltag eine wesentliche Rolle: Beim Regen auf der Fensterscheibe, aber auch beim Bedrucken von Papier und in der Pharmaindustrie.
  • Physiker haben das Phänomen nun entschlüsselt: Die Reibung zwischen Flüssigkeit und Oberfläche ist größer, wenn ein Tropfen ruht.

Von Christopher Schrader

Wie Tropfen über eine Oberfläche gleiten, darüber weiß die Wissenschaft erstaunlich wenig. Dabei spielt das Phänomen sowohl im Alltag wie in der Technik eine große Rolle - beim Bedrucken von Papier, in der Pharmaindustrie oder wenn Regen auf Glasscheiben fällt. Ein Team um Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz hat jetzt einen Teil der Wissenslücke geschlossen: Die Reibung zwischen Flüssigkeit und Oberfläche ist größer, wenn ein Tropfen ruht, als wenn er sich bewegt.

"Das weiß man von Festkörpern seit langem: Sie können auf einer schiefen Ebene ruhen. Aber wenn sie mal ins Rutschen geraten, rutschen sie immer weiter", sagt der Physiker. "Bei Tropfen hat man geahnt, dass es genauso ist, aber belegt und vermessen hatte es noch niemand."

Das lag vielleicht daran, dass Tropfen experimentell schwer zu packen sind. Bergers Team hat ein dünnes Glasröhrchen in die Tropfen gesteckt und dann die Oberfläche unter der Flüssigkeit bewegt. Dadurch bewegte sich der Tropfen seitwärts, wegen der Oberflächenspannung hing er aber auch an der Kapillare fest, so wie man Tropfen mit einer Nadel oder einem Strohhalm "festhalten" kann. Je nach Zugkraft des Tropfens verbog sich das Glasröhrchen leicht, was die Mainzer Forscher per Laserstrahl erfassten.

Erstmals wurde mit Wassertropfen solide experimentiert

Es zeigte sich, dass die Kraft, die Tropfen aufgrund der Reibung an der Oberfläche auf das Glasröhrchen ausüben, anfangs langsam steigt. Sie überschreitet eine Schwelle und sinkt wieder, sobald der Tropfen in Bewegung ist. Filme zeigen, wie er erst in die Länge gezogen wird, dann plötzlich in Bewegung gerät und sich wieder zusammenballt (Nature Physics). "Es ist offenbar das erste Mal, dass jemand dieses Verhalten mit einem soliden Experiment nachgewiesen und vermessen hat", sagt Rafael de la Madrid von der Lamar University in Texas, der ähnliche Versuche mit Tropfen macht.

Was genau passierte, hing bei den Mainzer Versuchen von den Flüssigkeiten und Oberflächen ab. So hat Wasser auf einfachem Silizium eine gut zwölf Mal so große Reibung wie auf einer flüssigkeitsabweisenden, nanostrukturierten Oberfläche aus dem gleichen Material. Aber eine Schwelle, die überwunden werden muss, gibt es in beiden Fällen. Sehr viele Einzelheiten sind allerdings noch zu klären. Dazu gehört ein Faktor, der die Form des Tropfens sowie die Kontaktlinie mit der Oberfläche beschreibt. Der ist offenbar keine Konstante, wie in der Literatur angenommen, sondern verändert sich ständig.

Bei einer Grundsatzfrage hingegen ist das Team einer Antwort näher gekommen: Rollen Tropfen über eine Oberfläche oder gleiten sie? Besonders auf wasserabweisenden Flächen, auf denen Tropfen wie nur leicht eingedrückte Kugeln ruhen, sieht es bekanntlich eher nach einem Rollvorgang aus. "Wir haben kleine Kügelchen in die Tropfen gemischt, die das Licht streuen, und sie dann gefilmt", erzählt Berger. "Daran zeigt sich, dass Tropfen beides tun: rollen und gleiten." Das Verhältnis der beiden Bewegungsformen hängt erneut von den Details ab.

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Quelle:
SZ vom 08.11.2017/fehu
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