Die hohe Kunst des Pfützensprungs

Ein Wasserläufer kann nur dann auf einer Wasseroberfläche umherspringen, wenn er mit seinen Füßchen in einer ganz bestimmen Geschwindigkeit auf die Flüssigkeit auftritt. Ist er beim Auftreffen zu langsam, kommt er nicht mehr weg. Geht er hingegen zu schnell vor, droht er zu versinken. Das schließen koreanische Forscher aus einer Simulation, in der sie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachteten, wie sich eine spezielle, wasserabweisend präparierte Kugel beim Auftreffen auf Wasser verhält. Nur Kugeln, die in einem ganz bestimmten Geschwindigkeitsbereich aufs Wasser trafen, schnellten wieder empor. Diesen Effekt machen sich auch die Wasserläufer zunutzen, schreiben die Wissenschaftler.
Die Forscher betrachteten einen Millimeter große Kügelchen als Modellsystem für die Wasserläuferfüßchen. Die Oberfläche der Kugeln hatten sie durch einen Überzug aus Chloroform und einer zweiten organischen Substanz extrem wasserabweisend präpariert. Wissenschaftler sprechen bei einer solchen wasserabweisenden Schicht von einer hydrophoben Oberfläche. Dadurch können Körper mit einer höheren Dichte als Wasser auf einer Wasseroberfläche schwimmen, obwohl sie eigentlich sinken müssten. Der Wasserläufer macht sich dies beispielsweise zunutze, um sich auf dem Wasser zu halten.

Die Fortbewegung und das Springen in der Pfütze müsste allerdings komplizierter sein als das ruhige Stehen auf dem Wasser, vermuteten die Forscher. Sie ließen die hydrophobe Kugel mit verschiedenen Geschwindigkeiten auf die Wasseroberfläche auftreffen und beobachteten sie dabei mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. In einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich tauchte die Kugel leicht in das Wasser ein, allerdings ohne unter die Oberfläche zu sinken. Danach schnellte sie zurück und aus dem Wasser heraus. Ganz ähnlich müsse das auch beim Herumspringen der Wasserläufer funktionieren, folgerten die Forscher. Die Geschwindigkeit muss aber gut eingehalten werden. Wird sie zu gering gewählt, verbleibt die Kugel in einer Oberflächenschicht des Wassers in einer schwingenden Bewegung. Ist die Geschwindigkeit dagegen zu groß, taucht die Kugel ein und sinkt.

In einem Computermodell bildeten die Forscher den Hüpfmechanismus über die Oberfläche nach. Damit können sie die Bewegungen über das Wasser auch mit physikalischen Gleichungen beschreiben. Vielleicht könnten damit einmal Roboter entworfen werden, die sich auf ähnliche Weise über das Wasser bewegen könnten, hoffen die Forscher.
Duck-Gyu Lee (National-Universität, Seoul) et al.: Langmuir, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1021/la702437c

ddp/wissenschaft.de ? Martin Schäfer


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