Wenn man Wasser aus einer Flasche gießt, nimmt der Flüssigkeitsstrahl oft eine kettenartige Struktur an. Die Physik hinter diesem merkwürdigen Phänomen wird seit mehr als einem Jahrhundert heftig diskutiert, doch nun könnte dieses Rätsel durch Experimente von gelöst werden Antoine Deblais, Daniel Bonn und Daniel Jordan an der Universität Amsterdam und Neil Ribe an der Universität Paris-Saclay.
Wenn ein Flüssigkeitsstrahl aus einer nicht kreisförmigen Düse tropft, kann er eine Welle aus breiten, abgeflachten und gleichmäßig beabstandeten Flüssigkeitsabschnitten bilden, die abwechselnd im 90°-Winkel zueinander ausgerichtet sind. Diese Abschnitte sind durch dünnere Flüssigkeitsglieder getrennt, sodass die Struktur einer Kette ähnelt (siehe Abbildung).
Der Kern des Effekts ist das nichtzylindrische Profil des Strahls beim Austritt. Um die Oberflächenspannung zu minimieren, versucht der Strahl, sich in einen Zylinder zu verwandeln, doch diese Bewegung geht über das Ziel hinaus und führt zu einer Oszillation in der Profilform.
Es besteht jedoch seit langem eine Meinungsverschiedenheit zwischen zwei Theorien, die beschreiben, wie diese Schwingungen auftreten. Eine Theorie wurde 1879 von Lord Rayleigh aufgestellt und 1909 von Niels Bohr modifiziert. Rayleighs Theorie beschreibt die Schwingung als linearen Effekt, während Bohrs Theorie nichtlineare Effekte einführt, die die Frequenz der Schwingungen verringern, wenn ihre Amplitude zunimmt.
Bohr gewinnt
Bisher konnten keine Experimente feststellen, welche dieser Theorien eine genauere Beschreibung bietet. Um dieses Problem zu lösen, entwarf das Team von Deblais eine Reihe von 12 elliptischen Düsen mit unterschiedlichen Größen und Exzentrizitäten. Anschließend maßen sie sowohl die Frequenzen als auch die Amplituden der Kettenstrukturen, die sich bildeten, als sie Wasser mit unterschiedlichen Durchflussraten durch die Düsen gossen. Während die beobachteten Muster leicht mit Rayleighs Vorhersagen übereinstimmten, stimmten sie eher mit Bohrs Theorie überein.
Versteckte Muster auf der Wasseroberfläche
Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse konstruierten Deblais und Kollegen numerische Simulationen von Flüssigkeitskettenschwingungen – und fanden dabei wiederum eine starke Übereinstimmung mit Bohrs Vorhersagen. Ihre Ergebnisse helfen auch zu erklären, warum die Oberfläche jedes Strahls während ihrer Experimente Grübchen bekam – ein weiteres interessantes Merkmal alltäglicher Wasserstrahlen. Das Team hofft nun, die Experimente und Simulationen auf andere Flüssigkeiten als Wasser sowie Düsen mit komplexeren Formen auszuweiten.
Nachdem nun eine grundlegende Theorie etabliert ist, könnten zukünftige Experimente nützliche Einblicke in eine Vielzahl von Anwendungen liefern, bei denen Flüssigkeiten aus elliptischen Düsen abgefeuert werden, einschließlich Tintenstrahldruck und Metallurgie. Weitere Forschungen könnten auch zu neuen Techniken zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz, zur Geräuschunterdrückung oder zur Verbesserung der Steuerung von Triebwerken führen. An anderer Stelle könnten die Ergebnisse den Forschern helfen, die Entstehung und mögliche Behandlung bestimmter medizinischer Probleme, einschließlich urologischer Erkrankungen, besser zu verstehen.
Die Forschung ist beschrieben in Physikalische Überprüfungsflüssigkeiten.
