Wissenschaftler finden heraus, wieso der stete Tropfen den Stein höhlt

„Steter Tropfen höhlt den Stein“ ist eine Weisheit in vielen Sprachen. Bild: Nareign / <a href="https://commons.wikimedia.org/"target="_blank">Wikimedia Commons</a>, <a href=" https://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons_license"target="_blank">Creative Commons License</a>Erosionskrater auf einer Gipsplatte nach 2500 Aufschlägen von Wassertropfen (Durchmesser = 3 mm, Geschwindigkeit = 2,6 m/s). Maßstabsbalken: 5 mm. Foto: Cheng Research Group, University of Minnesota

Die Erkenntnis: Jedes Tröpfchen, obwohl klein und weich, wirkt wie eine winzige Bombe, die ihre Aufprallenergie explosionsartig freisetzt und so für eine punktuelle Zerstörung sorgt

Sowohl in der östlichen als auch in der westlichen Kultur gibt es die Weisheit „Steter Tropfen höhlt den Stein“. Für die Physiker stellt sich dabei die Frage: Wie kann etwas so Weiches wie ein Wassertropfen, der auf etwas so Hartes wie einen Stein trifft, mit der Zeit dessen Oberfläche erodieren? In einer Studie unter Federführung der University of Minnesota Twin Cities wurde eine neue Technologie eingesetzt, um die Kräfte zu messen, die beim Aufprall wirken. Die Antwort auf die Frage lautet: es ist möglich, weil die Aufprallenergie explosionsartig freigesetzt wird.

In der Vergangenheit wurde der Tropfenaufprall nur visuell mit Hochgeschwindigkeitskameras analysiert. Die neue Technik der Forscher der University of Minnesota, die so genannte Hochgeschwindigkeits-Spannungsmikroskopie (high-speed stress microscopy), aber misst direkt die Kräfte beim Aufprall des Flüssigkeitstropfens, etwa den Druck oder die Schwerspannung.

Die Forscher fanden heraus, dass sich die von einem Tropfen ausgeübte Kraft nicht in der Mitte des Tropfens konzentriert, sondern sich mit ihm ausbreitet. Kurzzeitig geschieht das sogar schneller als mit Schallgeschwindigkeit, so dass auf der Oberfläche eine Schockwelle entsteht. Bildlich gesprochen: jedes Tröpfchen verhält sich wie eine kleine Bombe, die ihre Aufprallenergie explosionsartig freisetzt und so die nötige Kraft bekommt, um allmählich das harte Material an einem Punkt zu erodieren.

Die Erkenntnisse könnten Ingenieuren helfen, erosionsbeständigere Oberflächen für Verwendungen im Freien zu entwickeln.

Xiang Cheng, Hauptautor der Studie und außerordentlicher Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der Universität Minnesota, will nun untersuchen, wie unterschiedliche Texturen und Materialien die Kraft der Flüssigkeitstropfen verändern.

„Wir streichen zum Beispiel die Oberfläche eines Gebäudes oder beschichten die Flügel von Windkraftanlagen, um die Oberflächen zu schützen“, so Cheng, „aber im Laufe der Zeit können Regentropfen Der dennoch Schäden verursachen. Unsere Forschung zielt jetzt darauf ab, herauszufinden, ob wir die Scherbeanspruchung der Tropfen verringern können, was es uns ermöglichen würde, spezielle Oberflächen zu entwerfen, die die Beanspruchung abmildern können.“

Nature Communications: “Stress distribution and surface shock wave of drop impact

(07.04.2022)