Neue Einblicke in Teilchenbewegung

Forschende der Universität Bayreuth haben die sogenannte Geschichtskraft (engl.: history force) auf Teilchen in Flüssigkeiten untersucht. Oft wird sie wegen ihrer schwierigen Berechnung ignoriert, was Physik-Doktorand Frederik Gareis noch als Gymnasiast während eines Schülerforschungsprojektes mit seinem Betreuer feststellte.

Wird ein Tröpfchen (Teilchen) in einer Flüssigkeit periodisch wie in der Abbildung auf und ab bewegt, so übt die umgebende Flüssigkeit durch viskose Reibung eine Gegenkraft aus und es breiten sich Wirbel vom Teilchen weg aus.

Quelle: U Bayreuth

Bewegen sich Teilchen in Flüssigkeiten oder Luft, deren Geschwindigkeit sich dabei zeitlich ändert, so wirkt auf die Teilchen neben mehreren Kräften auch die sogenannte Geschichtskraft, die oft übersehen wird. Sie entsteht durch die Wirbelbildung um beschleunigte Teilchen in Flüssigkeiten. Die umgebende Flüssigkeit „merkt“ sich dadurch vorangehende Teilchenbewegungen und wirkt auf die weitere Teilchenbewegung nach.

„Die Geschichtskraft wird häufig ignoriert, weil sie mathematisch kompliziert ist und Berechnungen deutlich aufwendiger macht. Ob so eine Vernachlässigung zu größeren Fehlern bei der Berechnung von Teilchenbewegungen in Flüssigkeiten führt, ist dabei oft gar nicht klar“, sagt Gareis. Daher schlagen Gareis und sein Betreuer während der Zeit als Schülerforscher, Walter Zimmermann, nun vor, die Bewegung von Teilchen wie Mikroplastik und anderer fester Teilchen, Tröpfchen oder auch Bakterien in einem kontrollierten Experiment mit horizontal geschüttelten Flüssigkeiten zu untersuchen. „Darin werden die Teilchen ständig beschleunigt oder gebremst. Für dieses Experiment machen wir zur Wirkung der Geschichtskraft auf die Teilchenbewegung genaue und experimentell überprüfbare Vorhersagen“, so Zimmermann.  Ein Ergebnis: Theorien ohne die Geschichtskraft überschätzen die Bewegung kleiner Teilchen relativ zur Flüssigkeit teilweise bis zu sechzig Prozent.

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Außerdem sagen die Forscher vorher, wie man die Wirkung der Geschichtskraft auf Teilchen bereits an der Form bestimmter Messkurven erkennen kann. Damit lassen sich Modelle und Simulationen gezielt überprüfen und Vorhersagen für Anwendungen werden zuverlässiger. Des Weiteren erklären Gareis und Zimmermann im Einzelnen, wie sich um die beschleunigten Teilchen Wirbel bilden und dies zur Geschichtskraft führt.

„Unsere Ergebnisse erlauben nun Abschätzungen, wann die Geschichtskraft bei der Berechnung von Teilchenbewegungen in Strömungen in Natur und Technik nicht vernachlässigt werden sollte“, sagt Gareis.

Bemerkenswert ist die Entstehungsgeschichte dieser Forschung. Gareis war noch Gymnasiast, als er in einem Schülerforschungsprojekt für einen internationalen Schülerwettbewerb die Bewegung von Luftbläschen in geschütteltem Wasser am TAO-Schüler­for­schungs­zen­trum an der Uni Bayreuth untersuchte. Als er seine experimentellen Ergebnisse mit Theorien aus der Literatur vergleichen wollte, stellte er mit Professor Zimmermann fest: Die Theorien zu Gasbläschen in geschüttelten Flüssigkeiten ignorieren die Geschichtskraft. Das war der Startpunkt für das Forschungsprojekt, das Gareis parallel zu seinem Physikstudium an der Universität durchführte und nun publizierte.