Die Physik platzender Wasserballone

Princeton (USA) - Prall gefüllte Wasserballone platzen beim Aufprall am besten. Wer jemals mit Wasserbomben gespielt hat, kennt diesen Zusammenhang. Nun gingen amerikanische Wissenschaftler dem Verhalten von Wasserballonen genauer auf den Grund. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera hielten sie beim Aufprall die Verformung der elastischen Hülle fest und erkannten deren Stabilitätsgrenze. Auf der Basis ihrer Versuche entwickelten sie ein Modell, das sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ präsentieren. Mögliche Anwendungen reichen weit von Schutzmaßnahmen für menschliche Organe bei Autounfällen bis hin zu berstenden Wassersäcken zum Löschen von Waldbränden.

Für ihre Reihenuntersuchung füllten Pierre-Thomas Brun und seine Kollegen von der Princeton University handelsübliche Wasserballone und drei weitere Hüllen aus Silikonkunststoffen verschiedener Elastizität mit Flüssigkeiten. Auch die Füllung variierten sie von dünnflüssigem Wasser über Glycerin und Silikonöl bis hin zu zähflüssigem Honig. Diese gefüllten Hüllen ließen sie aus unterschiedlicher Höhe kontrolliert auf eine glatte Fläche fallen. Damit erreichten die Forscher Aufprallgeschwindigkeiten von einem bis knapp 40 Metern pro Sekunde.

Beim Aufprall verhielten sich alle Ballon-Varianten grundsätzlich ähnlich: Vergleichbar mit einem Wassertropfen flachten die ursprünglich kugelförmigen Ballone erst ab. Je flüssiger der Inhalt, desto flacher wurde der Ballon innerhalb weniger Millisekunden. Darauf drängte sich die Flüssigkeit zum Rand und bildete einen kleinen Wall. Wenn die Hülle stabil blieb,schwappte die Flüssigkeit danach wieder in die Mitte. Dabei zog sich der Ballon zusammen und hob sich in einer schwingenden Bewegung von der Fläche ab. Dieses Verhalten variierte in Abhängigkeit von der Viskosität der Flüssigkeit und der Elastizität der Hülle. Je zähflüssiger der Inhalt und je fester die Hülle, desto weniger und langsamer vollzogen sich die Verformungen.

Von besonderem Interesse waren für Brun und Kollegen die zerplatzenden Ballone. Je fester die elastische Hülle war, desto größere Aufprallgeschwindigkeiten konnten die Ballone aushalten. Doch neben diesem offensichtlichen Ergebnis fanden die Forscher eine Gemeinsamkeit aller Ballone: Um beim Aufprall zu zerplatzen, mussten die Hüllen etwas vorgedehnt worden sein. Wurde nur so viel Flüssigkeit eingefüllt, wie in eine ungedehnten Hülle passte, blieb der Ballon selbst bei hohem Aufpralltempo stabil.

„Nun können wir vorhersagen, wie prall eine elastische Hülle gefüllt sein muss, um bei einer vorgegebenen Aufprallgeschwindigkeit zu zerplatzen“, sagt Brun. Diese Erkenntnis könnte nun für einen optimierten Einsatz von großen, mit Wasser gefüllten Ballonen beim Bekämpfen von Waldbränden genutzt werden. Doch da Organe wie Leber oder Niere physikalisch auch einer mit Flüssigkeit gefüllten, elastischen Hülle ähneln, ließen sich nun die Grenzwerte der Stabilität – etwa bei einem Auffahrunfall – genauer bestimmen.