Robert Klatt
Leonardo da Vinci hat bereits vor 500 Jahren entdeckt, dass größere Luftblasen in Wasser nicht gerade aufsteigen. Physiker haben nun eine Erklärung für das Phänomen gefunden.
Bristol (England). Leonardo da Vinci, der 1452 in Italien geboren wurde, war besonders fasziniert vom Element Wasser. Der bis heute als einer der bedeutendsten Universalgelehrten der Menschheitsgeschichte geltenden da Vinci erkannte unter anderem das Konzept der Oberflächenspannung und die Kugelform von Wassertropfen. Diese und andere Erkenntnisse hat da Vinci im sogenannten Codex Leicester dokumentiert.
Das Manuskript enthält zudem das sogenannte Leonardo da Vincis Paradoxon, laut dem Luftblasen ab einer gewissen Größe einen unregelmäßigen Pfad aufweisen und nicht linear, sondern in Zickzack- oder Spiralformen zur Wasseroberfläche aufsteigen. Bis heute konnte die Physik eine quantifizierende Darstellung dieses Phänomens oder ein physikalischer Mechanismus, der diese periodische Bewegung erklärt, nicht finden.
Miguel Ángel Herrada von der Universität Sevilla und Jens G. Eggers von der Universität Bristol haben nun entschlüsselt, wieso es bei Blasen in Wasser zu unregelmäßigen Aufstiegsbewegungen kommt. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin PNAS könnte dies das Verständnis für das Verhalten von Partikeln verbessern, die weder eindeutig als Feststoffe noch als Gase klassifiziert werden können.
Die Physiker haben eine neue Methode zur numerischen Diskretisierung entwickelt, um die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser in der Blase genau zu charakterisieren. Dadurch können sie die Bewegung der Blase simulieren und ihre Stabilität erforschen. Ihre Simulationen stimmen eng mit hochpräzisen Messungen der instabilen Blasenbewegung überein und zeigen, dass Blasen in Wasser von einer geraden Bahn abweichen, wenn ihr kugelförmiger Radius 0,926 Millimeter überschreitet. Dieses Ergebnis liegt innerhalb von 2 Prozent der experimentellen Werte, die in den 90er-Jahren mit ultrareinem Wasser erzielt wurden.
Laut den Autoren existiert ein Mechanismus für die Instabilität der Blasenbahn, bei dem eine periodische Neigung der Blase ihre Krümmung ändert. Dies beeinflusst die Aufwärtsbewegung und verursacht ein Taumeln in der Blasenbahn, wobei die Seite der Blase nach oben kippt, deren Krümmung zugenommen hat. Dann, wenn die Flüssigkeit schneller fließt und der Flüssigkeitsdruck um die Oberfläche mit hoher Krümmung fällt, bringt das Druckungleichgewicht die Blase in ihre ursprüngliche Position zurück und startet den periodischen Zyklus erneut.
PNAS, doi: 10.1073/pnas.2216830120
