Physik: Wann und warum Wasserbomben platzen

Das Zerreißen von gefüllten Ballons gibt wichtige Informationen zum Löschen von Waldbränden.

Wer jemals mit Wasserbomben gespielt hat, weiß, dass Ballone, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, beim Aufprall platzen. Um die Stabilitätsgrenzen elastischer Hüllen zu erforschen, nahmen amerikanische Wissenschaftler jetzt die Verformung gefüllter Ballone mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf ( Nature Physics). Mögliche Anwendungen ihrer Erkenntnisse reichen von Schutzmaßnahmen für menschliche Organe bei Autounfällen bis hin zu berstenden Wassersäcken zum Löschen von Waldbränden.

Für ihre Reihenuntersuchung füllten Pierre-Thomas Brun und seine Kollegen von der Princeton University handelsübliche Wasserballone und drei weitere Hüllen aus Silikonkunststoffen verschiedener Elastizität mit Flüssigkeiten. Die Füllung variierten sie von dünnflüssigem Wasser über Glycerin und Silikonöl bis hin zu zähflüssigem Honig. Diese gefüllten Hüllen ließen sie aus unterschiedlicher Höhe kontrolliert auf eine glatte Fläche fallen. Damit erreichten die Forscher Aufprallgeschwindigkeiten von einem bis knapp 40 Metern pro Sekunde. Beim Aufprall verhielten sich alle Ballon-Varianten ähnlich: Vergleichbar mit einem Wassertropfen flachten die ursprünglich kugelförmigen Ballone erst ab. Je flüssiger der Inhalt, desto flacher wurde der Ballon innerhalb weniger Millisekunden. Darauf drängte sich die Flüssigkeit zum Rand und bildete einen kleinen Wall. Wenn die Hülle stabil blieb, schwappte die Flüssigkeit danach wieder in die Mitte. Dabei zog sich der Ballon zusammen und hob sich in einer schwingenden Bewegung von der Fläche ab. Dieses Verhalten variierte in Abhängigkeit von der Viskosität der Flüssigkeit und der Elastizität der Hülle. Je zähflüssiger der Inhalt und je fester die Hülle, desto weniger und langsamer vollzogen sich die Verformungen.

Von besonderem Interesse waren für Brun und seine Kollegen die zerplatzenden Ballone. Bei diesen fanden die Forscher eine Gemeinsamkeit: Um beim Aufprall kaputtzugehen, mussten die Hüllen etwas vorgedehnt sein. Ungedehnte Hüllen blieben dagegen stabil. "Nun können wir vorhersagen, wie prall eine elastische Hülle gefüllt sein muss, um bei einer vorgegebenen Aufprallgeschwindigkeit zu zerplatzen", sagt Brun. Diese Erkenntnis könnte nun für einen optimierten Einsatz von großen, mit Wasser gefüllten Ballonen beim Bekämpfen von Waldbränden genutzt werden. Doch da Organe wie Leber oder Niere physikalisch auch einer mit Flüssigkeit gefüllten, elastischen Hülle ähneln, ließen sich nun auch die Grenzwerte der Stabilität - etwa bei einem Auffahrunfall - genauer bestimmen.