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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Warum Wassertropfen ''platzen'' oder ''springen'' |
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| | | Tröpfchenweise sind französische Wissenschaftler einem physikalischen Phänomen auf die Spur gekommen: die Ursachen und Bedingungen für das unterschiedliche Verhalten von Wassertropfen. Denn während "träge" Wassertropfen beim Aufprall auf eine wasserabweisende Oberfläche verspritzen, springen Tropfen, die mit höherer Geschwindigkeit auftreffen, wie ein Gummiball zurück. |
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Physiker vom Nationalen Forschungsinstitut fragten nach den Bedingungen dieser Elastizität und untersuchten die Dauer des Kontakts mit der Oberfläche beim Aufprallen.
Die nun im Fachmagazin "Nature" präsentierten Ergebnisse könnten neue Aufschlüsse für die Fertigung effizienterer wasserabweisender Materialien liefern, aber auch für die industrielle Färbung von Textilien und Druckverfahren nutzbar gemacht werden.
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Der Artikel "Surface phenomena: Contact time of a bouncing drop" ist erschienen im Fachmagazin "Nature", Bd. 417, S. 811, (20. Juni 2002). |
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 Der Artikel (kostenpflichtig) |
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Messungen mit Hochgeschwindigkeitskameras
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Eine Schlüsselrolle bei der Beobachtung des Wassertropfenphänomens spielten Hochgeschwindigkeits-Kameras, die 10.000 Bilder pro Sekunde liefern. Auf diese Weise gelang es den Wissenschaftlern, den Aufprall der Tropfen exakt zu bestimmen, vor allem aber seine Dauer zu messen.
Die Elastizität der Tropfen und damit ihre Verformung beim Aufprall hängt von der Größe der so genannten Weber-Zahl (We) ab. Diese wiederum wird von vier Variablen bestimmt: Geschwindigkeit, Dichte und Oberflächenspannung sowie Umfang der Tropfen.
So drückt sich das Verhältnis der Variablen in der Weber-Zahl folgendermaßen aus: "We" ist das Produkt von Dichte, Radius des Tropfens, dem Quadrat der Geschwindigkeit und dem Kehrwert der spezifischen Oberflächenspannung.
Interessanterweise ist die Geschwindigkeit zwar für die Verformung der Tropfen der wichtigste Faktor, für die Dauer des Kontakts beim Aufprallen besitzt sie jedoch keine Relevanz. Hier ist der Radius das entscheidende Kriterium.
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Weber-Zahl
Die Weber-Zahl ist ein Parameter, der das Verhältnis der Energien ausdrückt. Das heißt sie charakterisiert das Verhältnis von Verformungsspannung zur Grenzflächenspannung. |
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Weber-Zahl bestimmt die Form der Tropfen |
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| Der linke Teil der Abbildung zeigt einen Tropfen mit hoher Weber-Zahl (We~18). Der Tropfen rechts weist eine niedrige Weber-Zahl auf (We~4). |
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Die Wissenschaftler konnten nun nachweisen, dass eine hohe Weber-Zahl Tropfen von geringem Umfang beim Aufprall länglich werden und nach einem kurzen Kontakt zurückspringen lässt (siehe Abbildung links).
Tropfen mit niedriger Weber-Zahl und mit größerem Radius zeigen dagegen Wellenbewegungen auf ihrer Oberfläche. Der Tropfen wird flach wie ein Cheeseburger, die Wellen überziehen schließlich den ganzen Tropfen und lassen ihn platzen (siehe Abbildung rechts).
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01.01.2010 |
