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Hydrodynamik: Wie Tropfen platschen hängt auch von der Umgebung ab

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Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera haben Physiker um Sidney Nagel von der Universität Chicago ein alltägliches Phänomen aufgezeichnet: Tropfen, die auf eine glatte Oberfläche fallen. Dabei stellten die Forscher fest, dass die genauen Abläufe beim Aufprall nicht nur von den Eigenschaften der jeweiligen Flüssigkeit abhängen, sondern auch vom umgebenden Gas.

Aufprallende Tropfen | Wie Tropfen beim Aufprall auseinander spritzen, hängt mit vom umgebenden Medium ab: Hier fällt ein Alkoholtropfen auf eine Glasplatte. Bei normalem Luftdruck (100 Kilopascal, oben) entstehen spritzer. Liegt der Druck nur bei 38,4 Kilopascal (2. Reihe), lösen sich nur einzelne kleine Tröpfchen ab. Bei 30 Kilopascal sind überhaupt keine Spritzer mehr zu beobachten, dafür aber eine Wellenform auf dem dickeren Rand nach dem Auseinanderfließen (3. Reihe). Bei nur noch 17,2 Kilopascal bleibt auch dieses Muster aus (4. Reihe).
Die Wissenschaftler testeten das Verhalten von Methanol, Ethanol und 2-Propanol, das sie tröpfchenweise in einer Vakuumkammer auf Glasplättchen fallen ließen. In mehreren Versuchsreihen füllten sie die Kammer dabei mit den Gasen Helium, Krypton, Schwefelfluorid oder Luft mit Drücken von einem bis zu hundert Kilopascal (normaler Atmosphärendruck). Erwartungsgemäß sprangen von Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität mehr kleinste Tröpfchen ab als bei zäheren Substanzen. Doch erstaunlicherweise spielte auch das umgebende Gas eine wichtige Rolle: Bei geringerem Druck gab es weniger Spritzer, und unterhalb eines Grenzwertes sprang gar keine Flüssigkeit zurück. Der Wert dieser Schwelle hing dabei vom Molekulargewicht des Gases ab.

Die neuen Erkenntnisse könnten recht schnell den Weg in den Alltag finden: Das Einspritzen von Tröpfchen ist bei vielen Fertigungsprozessen und in Verbrennungsmotoren verbreitet, und Tintenstrahldrucker verrichten ihre Dienste in Büros und Automaten. Eine Optimierung des Verhaltens der Flüssigkeiten könnte die Sicherheit, Qualität und Effizienz deutlich steigern.

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