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Hydrodynamik: Kapillar-Schwerewellen durch langsame Bewegung erzeugt

Wissenschaftler aus Frankreich zeigen in Theorie und Praxis, dass es für kleine Objekte, die sich auf kreisförmigen Bahnen über die Oberfläche einer Flüssigkeit bewegen, keine Mindestgeschwindigkeit gibt, um Wellen zu erzeugen. Dies könnte erklären, warum sich einige Insekten stets kreisförmig auf dem Wasser fortbewegen.

Alexei Chepelianskii von der Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles und sein Team erforschten Wellen, die durch eine kontinuierlich im Kreis bewegte Nadel in einem Wasserbecken entstehen. Eine gleichförmige, geradlinige Bewegung erzeugt nachgewiesenermaßen erst ab einer Geschwindigkeit von 23 Zentimetern pro Sekunde derartige Wellen.

Denn die von Booten, Insekten und andere Objekten erzeugten so genannten Kapillar-Schwerewellen entstehen durch eine Balance zwischen verschiedenen am Wasser wirkenden Kräften: Einerseits ist die Flüssigkeit durch Schwerkraft und Oberflächenspannung bestrebt, eine ebene Oberfläche aufzuweisen, andererseits zerstört die vom bewegten Objekt ausgeübte Kraft dieses Gleichgewicht. Wellen bilden sich aber erst ab der genannten Mindestgeschwindigkeit, da sie die Schwerkraft und Oberflächenspannung der Flüssigkeit sonst nicht überwinden können. Die Wellenverursacher sollten mindestens ebenso schnell sein – so die bisherige Theorie.

Für eine kontinuierliche Kreisbewegung scheint es einen derartigen Schwellenwert aber nicht zu geben. Mit Hilfe eines Lasers stellten die Wissenschaftler selbst bei Geschwindigkeiten von rund 14 Zentimetern pro Sekunde noch Wellen fest. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten war das Signal-Rausch-Verhältnis zu gering, um potenzielle Wogen nachzuweisen. Obwohl das Tempo der Tiere oder Gegenstände unter dem Schwellwert liegt, bewegen sich die von ihnen ausgehenden Wellen trotzdem schneller als 23 Zentimeter pro Sekunde. Dies verletzte nicht die Physik, erklären die Forscher. Man denke nur an einen Stein, der ins Wasser fällt: Obwohl seine Geschwindigkeit parallel zur Oberfläche null ist, entstehen nach außen laufende Wellen um ihn.

Die gleichförmige Kreisbewegung stellt eine beschleunigte Bewegung dar, und das könnte laut der Forscher die Ursache für das unerwartete Verhalten sein. Insekten wie der Taumelkäfer machen sich diesen Umstand womöglich zu Nutze: Durch die kreisförmige Bewegung könnte der Käfer selbst bei niedrigen Geschwindigkeiten Oberflächenwellen zur Echoortung erzeugen und damit navigieren. (mp)

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