Manchmal kann man beim Kaffee- oder Teetrinken etwas Seltsames, ja Unerwartetes beobachten: Auf der Flüssigkeitsoberfläche tummeln sich Tropfen!
Physik zum Frühstück – Tropfen benehmen sich seltsam
Oft lassen sich diese merkwürdigen Tropfen direkt am Frühstückstisch verfolgen, und zwar beispielsweise in einer Kaffeekanne aus Glas, die den darin befindlichen Kaffee auf einem Stövchen warm hält. Unter dem Deckel der Kanne bilden sich Kondenstropfen, die von Zeit zu Zeit in den Kaffee tropfen. Aber dort zerspringen sie nicht, so wie man es erwartet, sondern sie bewegen sich noch längere Zeit über die Flüssigkeitsoberfläche. Die Lebensdauer liegt dabei durchaus im Bereich der Minuten.
Schon Reynolds beobachtete die Tropfen
Zum ersten Mal wurden solche unserer Erfahrung widersprechenden kuriosen Tropfen 1881 von dem englischen Physiker Osborne Reynolds, der sich vorwiegend mit Strömungen befasste, erwähnt. Er beobachtete, dass aus kleiner Höhe auf Wasseroberflächen fallende Tropfen nach Abklingen der Oberflächenwellen als kleine Kugeln auf der eingedellten Wasseroberfläche verharren. Manchmal schwebten sie sogar auf ihr dahin, bevor sie – oft erst nach Minuten – den endgültigen „Seemannstod“ erlitten.
Selbst wenn der Krater in der Oberfläche über dem Tropfen einstürzte und ihn unter Wasser umschloss, war es manchmal noch nicht um ihn geschehen: Die Unterwasserkugeln erfuhren einen schwachen Auftrieb und schwebten langsam zur Oberfläche. Bei großen Fallhöhen durchschlug der Tropfen allerdings die Wasseroberfläche, man konnte schöne Kronenstrukturen beobachten… aber der Tropfen war hinüber.
Eine Schutzhülle entsteht durch Reibungselektrizität
Aber wie ist das Phänomen zu erklären? Eigentlich würde man doch erwarten, dass der Tropfen, wenn er schon nicht beim Aufschlagen zerspringt, sich dann doch recht schnell mit der ihn umgebenden Flüssigkeit vereinigt. Leider ist die Sache wissenschaftlich noch nicht restlos geklärt, aber es gibt Anhaltspunkte.
Wahrscheinlich haftet dem Tropfen eine sehr schmale, nur einige Mikrometer dicke Lufthülle an, die ihn auf seinem Weg ins Wasser begleitet. Diese schützende Hülle entsteht während seines freien Flugs, bei dem sich der Tropfen durch Luftreibung geringfügig auflädt. Auch Regentropfen zeigen diesen Effekt.
Durch seine Aufladung kann der Tropfen nun Luftmoleküle an seine Oberfläche binden, genauso, wie elektrisch aufgeladene Flächen wie zum Beispiel die Bildschirme unserer (alten!) Fernseher Staub magisch anziehen. Diese Luftschicht bildet zusammen mit der Oberflächenhaut des Tropfens einen stabilen Mantel aus. Er dient als schützendes Kissen bei der Landung; nur bei hoher Auftreffgeschwindigkeit zerreißt er. Und der Mantel schützt ihn weiter, wenn er auf der Oberfläche dümpelt.
Die Lufthülle erklärt auch den schwachen Auftrieb der Unterwasserkugeln. Gestützt wird diese Theorie übrigens von einer interessanten Beobachtung: In einem Bereich um den Tropfen herum wird Licht (total-)reflektiert, ein Vorgang, der nur beim Übergang von einem (optisch) dichteren Medium (in diesem Fall „Wasser“) in ein dünneres (die Lufthülle um den Tropfen) möglich ist.
Eigene Experimente aus unterschiedlichen Höhen
Vielleicht starten Sie eigene Versuche und Beobachtungen. Am einfachsten lässt sich das Phänomen realisieren, wenn man mit einer Pipette oder einem Strohhalm Tropfen aus unterschiedlichen Höhen auf Wasser- oder Flüssigkeitsoberflächen fallen lässt. Bei den Beobachtungen in der Kaffeekanne kam der Haltbarkeit der Tropfen wohl zusätzlich zugute, dass es sich um Kondenswasser, also destilliertes Wasser, handelt, das eine größere Oberflächenspannung als der Kaffee besitzt.
Blick über den Tellerrand
Wenn Tropfen in Flüssigkeiten „platschen“, gibt es viel Interessantes zu erkunden. Schon allein das Langziehen kurz bevor der Tropfen fällt, ist bemerkenswert. Und dann all die Figuren, wenn er endlich in die Flüssigkeitsoberfläche einbricht. Da bilden sich kleine Kronen (toll!), Fontänen und viele andere, teilweise seltsame Gebilde.