--- Wasser-Tropfen AUF und UNTER Wasser ---
Eine Entdeckungsreise mit der Foto-Kamera
von Roland Hübner

Wen die Neugier plagt, stürze sich hier direkt in den Overview-Browser. Ein repräsentatives
DIA pro Serie soll dort die Entscheidung erleichtern, mit welcher der 5 Serien man beginnen
möchte.
Einige Informationen zu Anfang sind aber auch nicht zu verachten. Probieren Sie doch den
einen oder anderen der folgenden LINKs:



Inhalts-Verzeichnis
der Info-Seiten


TROPFEN Aufprall-Szenarien

Wasser-TROPFEN AUF Wasser-Oberfl.

Wasser-TROPFEN UNTER Wasser-Oberfl.


TROPFEN / Flüss.-Trennschicht,
physikal. Modell





Selbst Tropfen beobachten

Details zum Versuchsaufbau

Literatur

Tips für Klicks

Copyright



Overview-Browser / Schnell-Einstieg in die 5 DIA-Serien
5 Abkürzungen werden in den Bildbeschreibungen zum Komprimieren des Textes benutzt:
  TR  =   TROPFEN    Ein Wasser-Tropfen "normaler" Größe (ca. 4mm), der auf der Wasser-Oberfläche schwimmt.
  MU  =   MULDE    Die flache Einbuchtung der Oberfl., die der schwimmende TR aufgrund des Gewichts erzeugt.
  KR  =   KRATER    Eine tiefe Einbuchtung der Oberfl., die ein fallender TR beim Aufprall auf die Oberfl. hervorruft.
  KU  =   KUGEL    Ein TR, der unter der Oberfläche nach geschlossenem KR als separates Gebilde schwimmt.
  BB  =   BIGBOY    Ein großer TR, der auf der Oberfläche schwimmt und auf 10 mm oder mehr anwachsen kann.
Copy1-12D3gAdobe.JPG
3 TR in Dreieck-MULDE (stabil)
Serie 1: Ein Überblick
Copy3-20D3gAdobe.JPG
KRATER wird instabil, schnürt
sich über dem TROPFEN ein
Serie 2: KUGELN UNTER Wasser
Copy3-36g1-2Adobe.JPG
Unterwasser-Ansicht zu DIA 5,
von oben ragt KRATER in den BB
Serie 3: Demo der
BIGBOY-Stabilität
Copy1-26gAdobe.JPG
1.Treffer auf TR in Mitte,
2.Volltreffer links, TR kaputt?
Serie 4: Demo der
TROPFEN-Stabilität
Copy3-16D3g1-1Adobe.JPG
Extreme Deformation des KRs
und der beiden KUGELn
Serie 5: Ergänzungen zu
den Serien 1 - 4
 


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Info-Seiten


-- Eine kurze Vorbemerkung zu den Texten --
Alle Texte vermeiden, wo immer möglich, den Fachjargon der Physik.
Animiert eine Textstelle trotzdem zum Überspringen, -- dann nicht zögern --.
Im besonderen wird das Verständnis solch vorher noch nie gesehener
Motive, wie sie diese DIA-Serien zeigen, darunter nicht leiden.
Die Physik wird nur an einigen wenigen Stellen benutzt, um dem Fachmann
Details der Fotos nahezubringen.


-- TROPFEN Aufprall-Szenarien --

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Was geschieht nach dem Auftreffen eines Wasser-Tropfens auf eine Wasser-Oberfläche?
Es folgt eine kurze Zusammenstellung von drei verschiedenen Szenarien nach dem TROPFEN-Aufprall.
Zu den ersten beiden zeigen die Foto-Serien eine Dia-Auswahl aus mehr als 300 Aufnahmen.

   -- Bei ganz kleinen Auftreff-Geschwindigkeiten (Fallhöhe um 10 mm, etwas abhängig von Tropfengröße und Auftreff-Winkel) entsteht eine schwache Eindellung (eine MULDE) in der Membran, die die Oberfläche darstellt. Der TROPFEN dringt nicht weit ein und bleibt, nachdem die angeregten Oberflächen-Wellen abgeklungen sind, in der MULDE ruhig liegen vgl. Serie1 DIA 1.

   -- Bei etwas größeren Geschwindigkeiten, wie sie bei Fallhöhen von ca. 10 – 20 mm entstehen und bei Tropfen-Durchmessern von 4 – 5 mm, schlägt der Tropfen einen tiefen KRATER (2 – 3 Durchmesser tief) in die Oberfläche, ohne den Zusammenhalt der Oberflächen-Membran zu zerstören.
Der TROPFEN selbst kann in diesem KRATER die verschiedensten Schwingungsformen durchlaufen. Er bleibt aber getrennt von der umgebenden Flüssigkeit erhalten. Ist der KRATER tief genug, so können Instabilitäten in der KRATER-Wand, unterstützt durch Oberflächenwellen, die durch den Aufschlag angeregt wurden, dazu führen, daß er oberhalb des TROPFENs kollabiert und den TROPFEN unter Wasser einschließt. Eine Unterwasser-KUGEL entsteht. Die Kugelform ist eine Folge der praktisch gleichförmigen Druckverteilung um den TROPFEN herum, die nur durch kräftige Strömungen gestört werden könnten. Beispiele zu dann auftretenden Verformungen sind in Serie2 DIA 7 und Serie5 DIA 9 zu sehen.

   -- Bei noch größeren Geschwindigkeiten durchschlägt der TROPFEN schließlich die Oberflächen-Membran und zerstört seine eigene Oberfläche, so daß beide miteinander verschmelzen. Zur Auftreffstelle zurücklaufende Wellen können bei ausreichend großen Auftreff-Geschwindigkeiten zu einem erneuten Hochschnellen von Flüssigkeit über die Oberfläche führen. Schöne rotationssymmetrische Figuren entstehen dabei für kurze Zeit über der Flüssigkeits-Oberfläche, wie sie z.Z. auch schon auf mehreren Reklameseiten als Blickfang benutzt werden.


-- Wasser-TROPFEN AUF Wasser-Oberfl. --
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Wasser-TROPFEN können – für viele Sekunden bis eine Minute – auf einer Wasser-Oberfläche schwimmen Serie1 DIA 1 ff, ohne mit der tragenden Flüssigkeit zu verschmelzen.

Sie können über die Oberfläche nahezu reibungslos gleiten, wenn sie beim Aufprall eine horizontale Geschwindigkeits-Komponente mitbekommen haben (z.B. durch schrägen Aufprall oder durch einen Zusammenstoß mit einem anderen, auf der Oberfläche liegenden, TROPFEN abgelenkt werden. Sie spielen Billiard ohne sich zu zerstören.). Es können gekrümmte Bahnen auf der Oberfläche durchlaufen werden, sobald sie durch Krümmungen in der Flüssigkeits-Oberfläche (wie sie z.B. bei der Meniskusbildung an einer Gefäßwand auftreten) beeinflußt werden.

Diese Effekte sind nicht neu, wurden allerdings bisher (meines Wissens) wenig beachtet und wohl noch nie in informativen und etwas attraktiven Fotos veröffentlicht.


-- Literatur --
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Aus dem Jahr 1881 existiert ein Bericht des britischen Physikers Osborne Reynolds: „Schwimmende Tropfen auf einer Wasser-Oberfläche, abhängig von der Reinheit der Oberfläche.“ Im Jahr 1885 berichtete der irische Physiker John Tyndall über seine Beobachtungen. Im Jahr 1978 wurde einiges des bis dahin bekannte Material von Jearl Walker in Scienticfic American, Juni 1978, pp. 123-129 diskutiert. Eine kleine Auswahl von sieben Dias, aus den mehr als 300 von mir aufgenommenen, wurden von mir in Bild der Wissenschaft, Mai 1989, S. 106–112 veröffentlicht. Alle hier zusammengestellten Serien stammen ebenfalls aus diesem DIA-Pool.


-- Wasser-TROPFEN UNTER Wasser-Oberfl. --
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Wasser-Tropfen schweben und schwimmen UNTER der Wasser-Oberfläche. Dieser zweite Teil, des hier gezeigten Phänomens, daß TROPFEN der gleichen Flüssigkeit als separate Gebilde (KUGELN) auch unter der Oberfläche existieren können (s. Serie1 DIA 17 oder Serie2), scheint noch weitgehend unbekannt zu sein. Doch gerade diese Erscheinung könnte zu interessanten Einblicken in die Vorgänge der Oberflächenbildung bei bestimmten Flüssigkeiten verhelfen.

Diese KUGELN besitzen mindestens die gleiche, oft auch eine größere Lebensdauer als TROPFEN auf der Oberfläche. Z.B. zeigt Serie2 DIA 7 einen Schwarm von 9 Unterwasser-KUGELN. Bei einem zeitlichen TROPFEN-Abstand von 2–3 Sekunden haben die abgebildeten KUGELN mindestens 20 – 30 Sekunden existiert.


-- TROPFEN / Flüssigkeit-Trennschicht, physikalisches Modell --
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Aus dem kontinuierlichen 4-stufigen Übergang:
   -- TROPFEN AUF der Oberfl. in ihrer MULDE --
   -- MULDE wird zum KRATER bei größerer Auftreff-Geschwindigkeit --
   -- KRATER wird instabil, schließt TROPFEN UNTER der Oberfl. ein --
   -- Unterwasser-KUGEL entsteht --,
der bei den Aufnahmen beobachtet wurde, und aus der Analyse von Dias (s. Serie1 DIA 14 ff) ist zu entnehmen, daß die Trennung zwischen TROPFEN und der umgebenden Flüssigkeit in beiden Fällen (AUF und UNTER dem Wasser) aufgrund des gleichen Effektes entsteht:
Eine vermutlich wenige 100 bis 1000 Nanometer dicke Luftschicht bildet mit den beiden Oberflächen-Membranen zusammen einen stabilen Mantel aus.

Die unter Wasser entstandenen KUGELN erfahren einen schwachen Auftrieb:
Mit sehr kleiner, schleichender Geschwindigkeit (einige mm/s) schweben sie zur Oberfläche hoch. Dieser Auftrieb legt solch eine Luftschicht als Ursache nahe. Die Dicke dieser Schicht läßt sich mit Hilfe des Stokeschen Gesetzes für viskose Wasserströmung um eine Kugel abschätzen. Man erhält einen plausiblen Wert in der oben genannten Größe.

Einen zweiten Hinweis auf solch eine Luftschicht, kann man aus den Dias in Aufsicht Serie1 DIA 14 u. 15 und denen aus der Taucher-Perspektive in Serie2 direkt ablesen. Die Bilder der KUGELN (auch in der zu Ellipsoiden verzerrten Wiedergabe) besitzen am Rand immer einen breiten, nicht durchsichtigen Streifen, auf dem nur Spiegelbilder zu erkennen sind. Die geometrische Optik zeigt, daß beim Übergang des Lichtes von einem optisch dichteren (Wasser) in ein optisch dünneres (Luft) Medium solch eine total-reflektierende Zone immer auftreten muß.
Mit einem Brechungsindex n = 1,3 für den Übergang Wasser/Luft erhält man in guter Übereinstimmung mit den Dias eine Zonen-Breite von etwa 1/8 des KUGEL-Durchmessers. Bei 4 mm dicken Kugeln damit eine 0,5 mm breite total-reflektierende Zone, wie sie auch von den Dias gezeigt wird.

Die Annahme eines luftgefüllten Spaltes scheint also zuzutreffen. Bei der oben abgeschätzten Spaltbreite, müßte diese mit hochauflösenden optischen Meßverfahren bestimmbar sein. Solche Messungen sind noch nicht gemacht worden.

Dieser beobachtete kontinuierliche Übergang von den auf der Oberfläche schwimmenden TROPFEN  zu den  unter Wasser schwebenden Wasser-KUGELN macht die Annahme überflüssig, daß in der engen Doppelmembran "stömungsdynamische Vorgänge" zur Stabilisierung beitragen könnten, wie vor einigen Jahren, als nur die TROPFEN auf der Oberfläche bekannt waren, von Jearl Walker (s. Literatur) spekuliert wurde. Die Vermutung von "Luftkissen", die einen durch Oberflächenwellen angeregten Strömungsaustausch mit der umgebenden Luft besitzen sollten und so zur Stabilisierung der TROPFEN beitragen, ist mit den beobachteten Unterwasser-KUGELN nicht verträglich.

Daß die Doppelmembran so stabil ist, liegt vermutlich allein an den Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Molekülen in den Oberflächen-Schichten.


-- Selbst TROPFEN beobachten --
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Stellen Sie sich eine frische Tasse Kaffee (ohne Milch u. Zucker ;-) neben den Monitor. Dann fehlt nur noch ein Kaffeelöffel und Sie können Ihre eigenen Wasser-(Kaffee-)Tropfen in natura auf der Oberfläche beobachten.
So wird es gemacht: - Etwas Kaffe auf den Löffel; - den Löffel ca. 1 cm oder weniger über der Oberfläche leicht neigen; - und einzelne Tropfen mehr vom Löffel kullern als fallen lassen. Dabei muß der Tropfen sich vollständig vom Löffel gelöst haben, bevor er die Oberfläche berührt !!
Die Lebensdauer dieser Kaffee-Tropfen beträgt einige Sekunden. Wenn auch nicht gleich der erste Tropfen auf der Oberfläche liegen bleibt, ;-( beim zweiten oder dritten sollte es aber klappen. – Damit es leichter zu erkennen ist, was Sie erwartet, schauen sie doch in Serie1 "Ein Überblick". Die ersten drei DIAS zeigen solche Wasser-TROPFEN auf klarem Wasser. Die Farben wurden nur über Spiegelungen dazugenommen, um mehr Informationen über die Oberflächen-Strukturen und die TROPFEN selbst darstellen zu können. –
Benutzen Sie keine Kaffeemaschine, sondern brühen den Kaffee nach alter Väter Sitte mit Filter und Filter-Beutel (jetzt in ein Glasgefäß, um die Oberfläche beobachten zu können), dann sehen Sie, wie nacheinander an der gleichen Stelle auftreffende Tropfen auf der Oberfläche Billiard spielen, wenn zwei Tropfen zusammenstoßen und in verschiedene Richtungen auseinander gleiten.

Hier finden Sie eine detailliertere "Beschreibung des Versuchs-Aufbaus", mit dem alle Dias dieser Serien gemacht wurden.


-- Details zum Versuchsaufbau --
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Der Aufbau, der bei allen DIAS der hier gezeigten Serien benutzt wurde, wurde nur wenig variiert (s.u. die Details).

-- Ein Becherglas ca. 100 mm Durchmesser und 70 mm Höhe wurde mit Leitungswasser gefüllt. Um die Lebensdauer der TROPFEN zu verlängern, wurde dem Wasser ganz wenig einer oberflächen-aktiven Substanz (Pril, etwa im Verhältnis 1:500) zugefügt.

-- Um reproduzierbare TROFEN-Größen (von ca. 4 mm Durchm.) zu erreichen, wurde eine Bürette benutzt und passend angedrosselt. Als Auftreffstelle für die TROPFEN wurde die Mitte des Becherglases gewählt. Oberflächen-Wellen, die beim Tropfen-Aufschlag erzeugt wurden, und die vom Glasrand reflektierten Wellen sollten möglichst konzentrisch verlaufen. Damit wurde erreicht, daß die Oberfläche nicht durch schräge Interferenzen unübersichtlich wurde.

-- Die Bürette wurde mit dem selben Wasser-Gemisch wie das Becherglas gefüllt.

-- Bei einem kontinuierlichen Wasserstrahl (z.B. in Serie1 DIA 10) wurde ein Durchmesser von ca. 1 mm eingestellt.

-- Der Abstand Wasser-Oberfläche / Bürette (die Tropfen-Fallhöhe) lag zur Erzeugung von Oberflächen-Tropfen (z.B. in Serie1 DIA 1 ff) bei 10 – 20 mm. Zur Erzeugung von Unterwasser-KUGELN (wie bei Serie1 DIA 17) bei 20 – 30 mm.

--- Die Fotos wurden mit 2 bis 3 zentral ausgelösten Blitzlichtern auf normalen Dia-Film belichtet. Der Raum war über ein Rot-Licht ganz schwach erhellt. Der Verschluß der Kamera (handelsübliche Spiegelreflex mit 135 mm Objektiv und 90 – 120 mm Balgen-Auszug um ca. 1:1 Abbildung bei spritzsicherem Abstand zu erreichen) wurde bei fester Blende vor jeder Aufnahme auf offen gestellt.

-- Bei den TROPFEN-Dias ist die Blickrichtung schräg von oben auf die Wasser-Oberfläche. Genauso bei den Dias, bei denen Unterwasser-KUGELN (die mehr oder weniger dicht unter der Oberfläche schweben) durch die Oberfläche aufgenommen wurden. Hier hat diese starke Schrägstellung eine deutlich verzerrte Abbildung (zu Rotations-Ellipsoiden) der ganz sauberen Kugelform der Unterwasser-KUGELN zur Folge.

-- Bei den Dias aus Taucher-Perspektive (ähnlich "Unterwasser-Aufnahmen") wurde die Blickrichtung schwach schräg nach oben gegen die Wasser-Oberfläche, fast senkrecht durch die Seitenwand des Becherglases gewählt. Damit wurde erreicht, daß Unterwasser-KUGELN ohne merkliche Verzerrung als Kugeln abgebildet werden.

-- Die Farben wurden durch Spiegelungen von transparenten Farbfolien in unmittelbarer Nähe des Becherglases (unter dem Becherboden und als Hintergrund) erreicht. Primäres Ziel war es, Zusatzinformationen über Oberflächen-Strukturen (wie Wellen und MULDEN, die durch das Tropfen-Gewicht entstehen) und die Tropfenformen zu geben. Andererseits sollte ein zusätzlicher ästhetischer Reiz beim Betrachten erreicht werden.

-- Bei einem Teil der Dias aus der "Taucher-Perspektive" wurde eine Nachbearbeitung am PC sinnvoll, um das Motiv freizustellen. Diese Dias zeigen in vielen Fällen mehrere in kurzen zeitlichen Abständen entstandene Unterwasser-KUGELN. Zusammen mit der etwas größeren TROPFEN- Fallhöhe, als bei der Erzeugung von Oberflächen-TROPFEN, sammeln sich auf der Wasser-Oberfläche eine größere Anzahl von kleinen Luftblasen an. Das Teleobjektiv rafft die unscharfen hellen Reflexe dieser Blasen und ihren Spiegelbildern aus einem relativ tiefen Bereich und erzeugt so einen sehr unruhigen Hintergrund. Dieser Hintergrund wurde bei der Freistellung des Motives durch eine ruhigere Farbgebung ersetzt. Am Motiv selbst erfolgten gleichzeitig kleine Ausfleck-Arbeiten.


-- Tips für Klicks bei kleinem Budget (17"-Monitor u. 1024x768 Auflösung) --
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Für eine optimale Einstellung beim Durch-Klicken der Serien  mit gleichbleibender DIA-
Position und TEXT-Anzeige
reicht ein 17“-Monitor mit 1024x768 Auflösung aus.
Gleichzeitige Ansicht des vollen DIAs und vollen TEXTes ist erst ab Auflösungen von
B x H = 1152x864 an zu erwarten.
(Maximal kommen bei einigen wenigen DIAs 24 TEXT-Zeilen vor.)

1)  Fenstergröße so wählen, daß ein Quer-Format-DIA mit Überschrift, Schalt-Buttons und
     Combobox vollständig angezeigt wird.
     Am einfachsten erreicht man dies beim Mozilla und Internet Explorer
     mit  [Ansicht] [Vollbild].
2)  Den Wechsel zwischen DIA und TEXT kann man dann bequem mit den beiden folgenden
      Tasten durchführen:
          6er-Block [Bild runter]  zeigt den vollen TEXT;
          6er-Block [Bild rauf]      wechselt zurück zum DIA.
     Beim Weiter-Klicken behalten alle DIAs aller Serien die gleiche Position am Monitor
      bei, auch falls man zwischendurch auf vollen TEXT hin- u. zurückgeschaltet hatte.
3)  Hoch-Format-DIAs benötigen keine eigene Fenster- Einstellung.
     Den DIA-/TEXT-Wechsel, wie in 2) beschrieben, vornehmen.
 -- Obige Vorschläge ermöglichen flüssiges Arbeiten und
     bringen gleichzeitig einen ruhigen Ablauf in die DIA-Betrachtung. --


4)  Jede DIA-Seite erlaubt am TEXT-Ende einen schnellen Rücksprung
     zum Overview-Browser über alle 5 DIA-Serien auf der WEB-Start-Seite.


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  -- Mit besonderm Gewicht auf allen Formen der Reproduktion.--
  -- Reproduktionen nur nach schriftlicher Abstimmung. Weitere
     Informationen hierzu über
 

-- Autor --
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Dr. Roland Hübner, theoretischer Physiker, arbeitete bis 1992 als Systemanalytiker bei einer Tochter-Firma der Siemens AG in D51429 Bergisch-Gladbach.


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