Übers Wasser(-Stärke-Gemisch) gehen …
Experiment widerlegt konventionelle Erklärung des Phänomens – und zeigt eine schlagartige Verfestigung der Suspension.
Fügt man einer Flüssigkeit eine ausreichende Menge an mikrometergroßen Partikeln hinzu, so zeigt sie ein bizarres Verhalten: Bei langsamen Bewegungen verhält sie sich wie eine normale Flüssigkeit, doch bei schnellen Bewegungen wirkt sie wie ein fester Körper. Ein Beispiel für eine solche „nichtnewtonische Flüssigkeit“ ist ein Gemisch aus Wasser und Maisstärke. Filmisch dokumentiert lassen sich zahlreiche Beispiel dafür bewundern, wie man über einen mit einer solchen Suspension gefüllten Swimmingpool laufen kann. Bleibt man jedoch stehen, so sinkt man wie in eine gewöhnliche, wenn auch zähe Flüssigkeit ein.
Abb.: Aluminiumstange vor und nach dem Aufprall auf die Oberfläche einer Suspension aus Wasser und Maisstärke. Die Stange fügt der Oberfläche eine Delle zu, dringt aber nicht in die Flüssigkeit ein. (Bild: S. Waitukaitis)
Wie kommt dieses Phänomen zustande? Bislang galt allgemein die rasche Zunahme der Viskosität mit der Fließgeschwindigkeit als Ursache. Sie führt bei nichtnewtonischen – auch anomalviskos genannten – Flüssigkeiten zu einer Verdickung unter dem Einfluss von Scherungskräften. Zwar können beim Laufen über das Wasser-Stärke-Gemisch durchaus Scherungskräfte auftreten – doch man sinkt auch dann nicht in die Suspension ein, wenn man kräftig auf der Stelle springt, also eindeutig keine Scherungskräfte am Werk sind.
Scott Waitukaitis und Heinrich Jaeger von der University of Chicago sind dem Phänomen nun mit einem Experiment auf den Grund gegangen. Die beiden Physiker haben dazu eine Aluminiumstange mit Geschwindigkeiten von 0,2 bis 2 m/s auf die Oberfläche eines dichten Wasser-Stärke-Gemischs prallen lassen. Die Stange führt zu einer Eindellung der Oberfläche der Suspension, dringt aber nicht in das Gemisch ein. Mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen, eingebetteten Kraftmessern und Röntgenbildern haben die Forscher den Vorgang genau untersucht.
Dem Experiment zufolge kommt es durch den Aufprall zu einer Verdichtung der Mikropartikel in der Suspension, die zu einer sich rasant ausbreitenden Verfestigung des Gemischs führt. Die Messungen zeigen zwei Maxima in der Kraft, die die Bewegung der Aluminiumstange abbremst. Das erste und stärkere Maximum stammt vom rapiden Anwachsen der verfestigten Zone. Zum zweiten, schwächeren Maximum kommt es, wenn diese Zone den Boden des Behälters erreicht. Das Experiment zeigt: Zum einen sind es nicht Scherungskräfte, die das Einsinken verhindern, und zum anderen spielen die Begrenzungen des Behälters keine entscheidende Rolle bei dem Phänomen.
Man kann also auf einem Gemisch aus Wasser und Maisstärke laufen, weil die Stärke unter den Füßen zu einer festen Substanz wird. Bleibt man jedoch stehen, so schmilzt dieser feste Grund dahin und man sinkt langsam ein.
Rainer Kayser
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