Eishülle reduziert Strömungswiderstand

Jeder Golfball fliegt mit seinen bis zu 450 kleinen Dellen weiter als mit einer glatten Oberfläche. Der Grund liegt in zahlreichen kleinen Luftwirbeln, die den Strömungswiderstand des fliegenden Balls reduzieren. In Wassertanks beobachteten Wissenschaftler einen vergleichbaren Effekt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, sanken kleine Metallkugeln mit einer Eishülle deutlich schneller ab als ohne den schmelzenden Mantel. Dieser Effekt könnte dazu beitragen, das rasche Driften von Eisbergen zu erklären. Außerdem könnte man damit Schiffsfahrten durch arktische Gewässer schneller machen.

Zwei Kugeln mit verfaserten Schweifen, der linke ist dicker als der rechte.
Vereiste Eisenkugeln im Fall

„Auf den ersten Blick sollte es eigentlich keinen Grund geben, warum vereiste Objekte einen anderen Strömungswiderstand haben als andere feste Körper“, sagt Ivan Vakarelski von der King Abdullah University in Thuwal. Doch seine Experimente, die er zusammen mit Derek Chan von der University of Melbourne analysierte, zeigten genau dieses überraschende Verhalten.

Vakarelski und Kollegen ließen sowohl eine Stahlkugel mit sechs Zentimeter Durchmesser als auch eine mit einer einen Zentimter dicken Eisschicht umhüllten Wolframkarbid-Kugel in einen knapp zweieinhalb Meter hohen Wassertank fallen. Beide Kugeln wogen bei gleichen Ausmaßen gleich viel. Doch die vereiste Kugel erreichte den Boden des Wassertanks früher und beschleunigte auf eine um gut ein Drittel höhere Fallgeschwindigkeit. Der Strömungswiderstand war dabei um etwa 50 Prozent verringert.

Kugel von einer durchscheinenden Hülle umgeben.
Mantel aus Eis

Um dieses Phänomen zu verstehen, verfolgten die Forscher den Kugelfall mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Zudem mischten sie einen Farbstoff in die schmelzende Eishülle. So konnten sie beobachten, dass sich der zuerst breite Schweif an Turbulenzen hinter der fallenden Kugel ab einer Geschwindigkeit von 2,4 Metern pro Sekunde stark verjüngte. Parallel verringerte sich der Strömungswiderstand der Kugel. Allein mit dem ein wenig schrumpfenden Durchmesser der vereisten Kugel konnte das schnellere Fallen nicht erklärt werden. Vielmehr sei der Einfluss des Schmelzwassers auf die Bildung von Verwirbelungen im Wasser verantwortlich für diesen Übergang – auch Krise des Strömungswiderstands genannt. Diese „Krise“ erklärt auch die längeren Flugbahnen von Golfbällen, da sie dank der zahlreichen Dellen bei geringeren Geschwindigkeiten auftritt als bei glatten Bällen.

Um diesen überraschenden hydrodynamischen Effekt vollständig erklären zu können, sind noch weitere Experimente und Simulationen notwendig. Dann ließe sich auch die Driftgeschwindigkeit von Eisbergen besser verstehen. Für die Schifffahrt könnte sogar ein konkreter Nutzen entstehen. Denn wenn die Rümpfe von Frachtern auf ihren Routen durch Polarregionen mit einer dünnen Eisschicht bedeckt wären, ließe sich der Strömungswiderstand und damit der Treibstoffverbrauch verringern. Einen ähnlichen Effekt erzielen zahlreiche Luftblasen auf den Schiffsrümpfen. Das Phänomen wurde bereits mit ersten Prototypen erfolgreich getestet.