Für das optimale Ditschen oder Skipping, bei dem ein geworfener Stein mehrmals über die Wasseroberfläche hüpft, gibt es physikalische Bedingungen.
Wahrscheinlich wirft der eine oder andere auch als Erwachsener noch Steine in Teiche, Seen oder Pfützen und beobachtet die Muster, die sich immer wieder neu und überraschend bilden (Abb. 1). Und wenn man schon beim Steinewerfen ist, dann ist man vielleicht auch in der Kunst des Steinhüpfens erprobt, umgangssprachlich auch „Ditschen“ bzw. „Skipping“ genannt.
Steine „ditschen“
Dabei handelt es sich um ein Vergnügen an einem stillen See oder am Rheinufer, das eine nicht geringe Auswahl an Wurfgeschossen gleich mitbietet. Dabei wird ein (flacher) Stein so auf die Wasseroberfläche geschleudert, dass er möglichst oft über diese springt, bevor er endgültig versinkt (Abb. 2). Die „Disziplin“ wurde nachgewiesenermaßen schon im alten Griechenland ausgeübt und von Homer beschrieben. Die Rekorde liegen bei weit mehr als 30 Sprüngen. Einer der Rekordhalter ist John Coleman-McGhee; als Beweis gelten Aufnahmen seiner Würfe auf dem Blanco River in Texas mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.
Spezielle Steine und ein Drall
Jeder, der sich im Steinehüpfen schon einmal versucht hat, weiß, dass der Erfolg von der Form des Steins und der Wurftechnik abhängt: Der Stein muss die Form eines flachen Ellipsoids oder einer Scheibe haben und so geworfen werden, dass die abgeflachte Seite parallel zur Wasseroberfläche ist. Die Abwurfhöhe ist möglichst tief zu wählen, sie sollte am besten nur knapp über der Wasseroberfläche liegen.
Profis wissen, dass der Stein zusätzlich in Rotation um seine senkrecht Achse versetzt werden muss. Von Kreiseln kennt man dieses Phänomen: Beim fliegenden Stein stabilisiert die Drehbewegung die Flugbahn. Wirft man Steine ohne diesen zusätzlichen Spin oder Drall, so behalten sie ihre räumliche Lage während des Flugs nicht bei, beginnen zu torkeln und überschlagen sich letztendlich. Diese Eigendrehbewegung des Steins erreichet man am einfachsten, indem man den Stein am Rand zwischen Daumen und Zeigefinger festhalten und im Augenblick des Abwurfs dort Druck mit dem Zeigefinger ausübt.
Der Stein schiebt eine Bugwelle vor sich her
Zunächst könnte man annehmen, dass der Stein, sobald er auf die Wasseroberfläche aufprallt, einfach wie ein Ball zurückspringt. Die Wasseroberfläche wirkt nicht wie ein fester Fußboden. Da sie elastisch ist, erstaunt es sowieso, dass Steine überhaupt auf Wasser springen können. Die physikalischen Vorgänge sind komplizierter. Filmaufnahmen zeigen, dass im spitzen Winkel zur Wasseroberfläche abgeworfene Steine mit ihrer hinteren Kante zuerst auf dem Wasser aufsetzen. Der Stein gleitet dann, durch seine Drehbewegung stabilisiert, zunächst ein kleines Stück über die Wasseroberfläche und schiebt – ähnlich wie ein Wasserskifahrer – einen kleinen Wasserwall wie eine Bugwelle vor sich her. Die Abb. 2 skizziert den Bewegungsablauf beim Steinehüpfen; die Detailzeichnung zeigt den Aufprall des Steins auf die Wasseroberfläche.
Bei ausreichender Geschwindigkeit holt der Stein den aufgetürmten Schwall ein, gleitet wie an einer Sprungschanze daran hoch und setzt zum nächsten Sprung an. Bei jedem Kontakt mit der Wasseroberfläche verliert er natürlich sowohl Bewegungs- als auch Drehenergie. Die Sprünge werden immer kürzer und gehen in eine Art Schlittern über. Schließlich ist entweder die Geschwindigkeit des Steins so gering, dass er die Bugwelle nicht mehr einholen kann und endgültig im Wasser versinkt, oder sein Drall reicht zur Bahnstabilisierung nicht mehr aus. Er trifft dann nicht mehr flach auf das Wasser und taucht ein. Vor allem kleine Steine haben dieses Problem.
Der optimale Steinwurf
Wissenschaftler haben schon vor einigen Jahren Bedingungen für optimales Ditschen genauer untersucht. Hinweise gab eine Wurfmaschine, die flache Metallscheiben auf eine Wasseroberfläche schleudert. Im Experiment variierten Sie sowohl die Abwurfgeschwindigkeit der Scheibe als auch den Aufprallwinkel auf dem Wasser sowie den Drall. Eine Hochgeschwindigkeitskamera nahm den Bewegungsablauf auf. Die Auswertung zeigte, dass vor allem die Kontaktzeit mit der Wasseroberfläche über die Anzahl der möglichen Sprünge entscheidet: Je kürzer der Kontakt ist, desto weniger Energie geht dem Skipping durch Reibung verloren, ein Sachverhalt, der erwartet wird; Zeiten im Bereich von einigen Millisekunden sind durchaus üblich. Steine mit kleinen Anfangsgeschwindigkeiten sind wenig erfolgreich, weil die Energie zu schnell verloren geht. Für alle Würfel war eine Mindestgeschwindigkeit notwendig, um überhaupt eine Sprungfolge zu erreichen.
Unabhängig von der Eigendrehbewegung und der Geschwindigkeit der Scheibe wurde eine optimale Sprungfolge erreicht, wenn die Scheibe unter einem kleinen Winkel (etwa 20°) auf die Wasseroberfläche prallte. Extrem kleine Winkel sind daher – wider Erwarten – gar nicht so optimal. Steinsprünge gelingen auch auf feuchtem Sand. Hier wechseln allerdings kurze und lange Sprungweiten einander ab. Die kurzen Abstände entstehen, wenn hintere und vordere Kante des Steins auf den im Gegensatz zum Wasser festen Sand auftreffen. Der Stein wird durch den Aufprall so stark abgebremst, dass er kippt, bevor er erneut zum Sprung ansetzt.