Reibung gleitender Tropfen entschlüsselt

Auch Flüssigkeiten zeigen wie feste Objekte auf einer Oberfläche einen Übergang von Haft- in Gleitreibung
Tropfen aus verschiedenen Flüssigkeiten zeigen wie Festkörper auf einer Oberfläche einen Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung.
Tropfen aus verschiedenen Flüssigkeiten zeigen wie Festkörper auf einer Oberfläche einen Übergang zwischen Haft- und Gleitreibung.
© MPIP
Mainz - Um einen festen Körper auf einer Fläche ins Rutschen zu bringen, muss die Haftreibung überwunden werden. Danach reicht eine etwas geringere Zugkraft aus, um den Körper in Bewegung zu halten. Der Grund: die Gleitreibung ist geringer als die Haftreibung. Erstmals konnten nun deutsche und chinesische Physiker diesen Zusammenhang auch für Tropfen verschiedener Flüssigkeiten auf einer festen Oberfläche im Details analysieren. In der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten sie, dass auch die auf die Tropfen wirkenden Kräfte sich ähnlich verhalten wie bei Festkörpern.

„Die laterale Adhäsionskraft zwischen einem Tropfen und einem Festkörper kann in einen statischen und einen kinetischen Bereich unterteilt werden“, sagt Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Bei Bewegung wirken also andere Kräfte als bei einem unbeweglichen Tropfen. Zusammen mit seinen Kollegen konzipierte er ein Experiment, um die Tropfen mit einer messbaren Zugkraft über eine Fläche ziehen zu können. Dazu setzten die Forscher je einen Tropfen verschiedener Flüssigkeiten auf eine feste Unterlage. In diesen Tropfen steckten sie ein sehr dünnes, 35 Millimeter langes Kapillarröhrchen aus Borosilikat-Glas.

Verschoben Berger und Kollegen nun die Unterlage, verformte sich der Tropfen langsam, blieb aber an dem Kapillarröhrchen haften. Diese Haftkraft war groß genug, um den Tropfen festzuhalten, so dass die Unterlage unter dem Tropfen hinweggleiten konnte. Die geringe Biegung des Röhrchens entsprach dabei der wirkenden Zugkraft. Diese konnte über einen am Röhrchen reflektierten Laserstrahl exakt bestimmt werden.

Zuerst ermittelten die Forscher die wirkenden Kräfte mit einem Tropfen einer ionischen Flüssigkeit auf einer fluorinierten Siliziumoberfläche. Bis zu einer kleinen Zugkraft von 50 Mikronewton verformte sich der Tropfen, blieb aber auf seiner Position haften. Dann setzte er sich pötzlich in Bewegung und konnte über der Oberfläche gleiten. Die dabei wirkende Zugkraft war mit etwa 33 Mikronewton jedoch ein gutes Drittel geringer. Auch andere Flüssigkeiten und Oberflächen zeigten ein analoges Verhalten mit einem statischen und kinetischen Bereich. Lediglich die konkreten Messwerte variierten in Abhängigkeit von der jeweiligen Tropfen-Unterlage-Kombination.

Auch das Gleitverhalten eines Wasserstropfen auf einer Gänsefeder analysierten die Wissenschaftler mit ihrer Methode. Die während der statischen Haftung wirkende Kraft war dabei sogar dreimal so groß wie die Zugkraft, um den einmal gleitenden Tropfen in Bewegung zu halten. Allerdings schwankte in diesem Fall die Zugkraft, da die Tropfenbewegung eher ruckartig war. Dieses Ruckeln wurde durch einen Stick-Slip- oder auch Haftgleiteffekt verursacht. „Doch dafür zeigten die Haftkräfte der Wassertropfen auf Gänsefedern keine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit“, sagt Berger. In weiteren Versuchen will er mit seiner Arbeitsgruppe neben Gänsefedern noch weitere, in der Natur vorkommenden Oberflächen untersuchen.

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