Oberfläche einer Kugel bestimmt das Verhalten bei einem Aufprall auf Wasser

Lyon (Frankreich) - Ob sich mancher Bauchklatscher im Schwimmbad vermeiden ließe, wenn der Springer nur die richtige Beschichtung auf der Haut hätte? Für Kugeln, die ins Wasser fallen, macht dies einen wichtigen Unterschied. Je nach äußerer Schicht verursachen Körper gleicher Größe und Form entweder einen großen, lauten Platscher, oder sie gleiten fast geräuschlos ins Wasser.

Dieses überraschende Ergebnis französischer Experimente stellt die Lehrbuchmeinung auf den Kopf: Eigentlich sind in der klassischen Hydrodynamik die Oberflächeneffekte zu vernachlässigen. Doch zeigte sich jetzt: In manchen Fällen, vor allem abhängig von der Geschwindigkeit, spielt die Chemie der Oberfläche doch eine Rolle. Praktische Auswirkungen dürfte die Erkenntnis fürs Militär haben, etwa für das Eintauchen von Tornados ins Wasser. Luftblasen an der Spitze der Geschosse könnten sie beim Zielfinden stören.

"Normalerweise hört man einen lauten Platscher, wenn ein Festkörper mit hoher Geschwindigkeit in Wasser eintaucht - weil sich beim Auftreffen eine Luftblase bildet", schreibt das Team um Lydéric Bocquet im Fachblatt "Nature Physics". Wenn der Körper aber sehr benetzbar ist, also wasserliebende Moleküle seine Oberfläche bedecken, dann entsteht keine Luftblase, so die Physiker der Claude Bernard-Universität in Lyon.

Die Forscher hatten mit Kugeln unterschiedlicher Materialien experimentiert und schließlich wenige Zentimeter große Glaskugeln aus einer Höhe von 1,25 Metern auf eine Wasseroberfläche fallen lassen. Die eine Kugel war mit Alkohol, Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid sorgfältig gereinigt und hatte so keinerlei wasserabstoßende Neigung. Die andere Kugel war mit einer nur ein Molekül dicken Schicht aus wasserabstoßendem Silan, einer Siliziumwasserstoffverbindung, bedeckt. Im Experiment "flutscht" die erste Kugel mit einem leisen Plopp ins Wasser, fast ohne die Oberfläche aufzuwühlen. Die zweite Kugel hingegen erzeugt ein großes und lautes Platschen und zieht beim Eintauchen eine große Luftblase hinter sich her.

"Wasser bleibt lieber zusammen, als sich über die Oberfläche der wasserabstoßenden Kugel zu verteilen. Es wird von der Kugel weggestoßen", erklärt Bocquet. Dabei bildet sich die Luftblase, die für den Platscher sorgt. Bei der leise eintauchenden Kugel hingegen gleiten die Wassermoleküle dicht an der Oberfläche entlang, so dass keine Luft dazwischen gelangen kann und Geräusche ausbleiben. Im Experiment mit Mikrofonen zeigte sich klar: Je wasserabweisender eine Beschichtung, desto lauter wurde der Platscher.

Nach der klassischen Hydrodynamik dürfen Oberflächeneffekte keine Rolle spielen, da das Eintauchverhalten nur von der Fallgeschwindigkeit der Kugel abhängen soll. Bocquet und Kollegen zeigen jetzt im Gegenteil, dass die Größe des Platschers -- oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit -- von der Benetzbarkeit der Oberfläche abhängt. Die Grenzgeschwindigkeit hängt vom Winkel ab, in dem der Wasserfilm die Kugel hinauf gleitet. Und dieser Winkel ist wiederum abhängig vom Maß, in dem die Oberfläche die Wassermoleküle abstößt oder anzieht. Unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit entsteht meist keine Luftblase, so die Forscher. Das gilt allerdings nicht für die am stärksten wasserabstoßende Beschichtung im Experiment: Bei ihr kam es immer zum Platscher, egal, wie langsam sie ins Wasser eintauchte.