Türkisblaues Wasser fällt auf eine glatte, weiße Oberfläche und spritzt in alle Richtungen davon

Wann ein Tropfen spritzt

Fällt ein Tropfen auf eine feste Oberfläche, bildet sich beim Aufprall eine dünne Schicht dieser Flüssigkeit, die sich entweder gleichmäßig und glatt auf der Oberfläche verteilt oder aber in viele kleine Tröpfchen zerspringt. Ob ein Tropfen beim Aufprall spritzt oder nicht, hängt einerseits von seiner Geschwindigkeit ab. Doch wie zwei Forscher nun im Fachmagazin „Physical Review Letters“ berichten, spielt auch die umgebende Luft eine wichtige Rolle.

Ein dunkler Hügel von dem kleine Tröpfchen wegspritzen auf einer glatten OberflächeEthanoltropfen mit Spritzern
Ethanoltropfen mit Spritzern

Einen Hinweis darauf hatten Wissenschaftler bereits 2005 gefunden, als sie das Aufprallverhalten von Wassertropfen auf einer festen Oberfläche im Vakuum untersuchten. Egal wie hoch die Geschwindigkeit der Wassertropfen auch war, eventuelle Spritzer aus feinen Tröpfchen blieben aus. Mit einem neuen Modell können Guillaume Riboux und José Manuel Gordillo von der spanischen Universität Sevilla dieses Verhalten nun erklären. Dafür untersuchten sie zunächst mithilfe zweier Hochgeschwindigkeitskameras, die mehr als 600 000 Bilder pro Sekunde aufnahmen, millimetergroße Tropfen aus Wasser, Ethanol und Silikonöl. Beim Aufprall bildeten diese Tropfen zunächst dünne Schichten, die sich parallel zur Oberfläche ausbreiteten und dabei jeweils nur wenige Mikrometer dick waren.

Zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche befindet sich allerdings eine dünne Schicht aus Luft, welche die Flüssigkeit nach dem Aufprall gewissermaßen von der Oberfläche abheben lässt. In einigen Fällen kehrt die Flüssigkeit wieder auf die Oberfläche zurück und breitet sich glatt aus. In den anderen Fällen aber steigt die dünne Schicht aus Flüssigkeit weiter, wird an ihren Rändern instabil und zerspringt in kleine Tröpfchen: Die Flüssigkeit spritzt. Riboux und Gordillo erstellten anhand ihrer Daten ein Modell, mit dem sie die kritische Aufprallgeschwindigkeit bestimmen konnten, bei der ein Tropfen spritzt oder nicht.

Ein dunkler Hügel auf einer glatten Oberfläche vor einem gräulichen HintergrundEthanoltropfen ohne Spritzer
Ethanoltropfen ohne Spritzer

In ihre Formel flossen aber nicht nur die Größe des Tropfens, seine Dichte und Viskosität – eine physikalische Größe, welche die Zähigkeit einer Flüssigkeit erfasst – ein, sondern auch die Eigenschaften der Luft. Die dünne Flüssigkeitsschicht hebt nämlich aufgrund des gleichen aerodynamischen Mechanismus ab, mit dem die Flügel eines Flugzeugs Auftrieb erfahren: Die Luft selbst übt eine Kraft aus. Deshalb enthält die Formel auch die Dichte und Viskosität der Luft sowie die sogenannte freie Weglänge der Luftmoleküle – diese Strecke können die Moleküle durchschnittlich zurücklegen, bevor sie mit einem anderen Luftmolekül zusammenstoßen. Mithilfe ihrer Formel konnten die Physiker beispielsweise erklären, warum die untersuchten Ethanoltropfen bei einer Geschwindigkeit von 2,47 Metern pro Sekunde spritzten, bei 1,29 Metern pro Sekunde jedoch nicht: Die kritische Aufprallgeschwindigkeit in diesem Fall beträgt 2,19 Meter pro Sekunde.