Wassertropfen

Animation eines Wassertropfens

Wassertropfen unter Einfluss nur geringer Gravitation; annähernd Kugelform

Ein Tropfen ist eine in sich geschlossene flüssig/gasförmig- oder flüssig/flüssig-Phasengrenzfläche. Handelt es sich um eine flüssig/flüssig-Phasengrenzfläche, müssen zwei nichtmischbare Flüssigkeiten vorhanden sein, zwischen denen sich diese Grenzfläche ausbilden kann (Emulsion). Im Gleichgewicht ist die Blase aufgrund der Oberflächenspannung γ kugelförmig, da die Oberfläche A_o vermindert wird, um die Oberflächenenergie

$E_o = A_o \cdot \gamma$

zu verringern.

Der Tropfen ist durch den Einfluss der Oberflächenspannung bestrebt, Kugelform zu erlangen. Dies verhindern jedoch seine Zähigkeit, die Trägheit, die Luftreibung und andere äußere Kräfte, so dass er sich über einen leicht schwingenden Tropfen zur kugelförmigen Gestalt verformt.

Tropfenform

Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet Tropfenform eine zwei- oder dreidimensionale Form die auf der einen Seite rund ist und auf der anderen Seite spitz zuläuft. Entgegen der allgemeinen Annahme hat ein Wassertropfen zu keinem Zeitpunkt „Tropfenform“.

Tropfenbildung

Schematische Darstellung eines sich lösenden Tropfens

sich lösender Tropfen

Fallender Wasserstrahl der sich in Tropfen auflöst

Lavalampe

Wenn sich ein Tropfen zu bilden beginnt, entsteht eine Einschnürung. Doch anstatt sich einfach weiter zu verjüngen, so dass eine „Tropfenform“ entstehen würde, zieht sie sich in die Länge. Es entsteht ein fadenförmiges Gebilde, an dessen Ende ein fast kugelförmiger Tropfen hängt. Dort wo der „Faden“ auf den Tropfen trifft bildet sich erneut eine Einschnürung. Wenn die Viskosität der Flüssigkeit hoch genug ist (höher als die von Wasser), zieht sich auch dies Einschnürung wieder in die Länge. Je höher die Viskosität desto häufiger wiederholt sich dieser Prozess. Irgendwann wird dies jedoch instabil und der Tropfen löst sich vom Faden. Aus dem Faden bilden sich teilweise weitere, kleinere Tropfen.

Auch aus einem Wasserstrahl bilden sich Tropfen. Ein Wasserstrahl zieht sich beim Fallen in die Länge und es entstehen Einschnürungen und Ausbuchtungen die sich dann zu einzelnen Tropfen zusammenziehen.

Das Ablösen eines Tropfen kann ohne weitere technische Hilfsmittel gut an einer Lavalampe (flüssig/flüssig-Phasengrenzfläche) beobachtet werden.

Regentropfen

Regen ist eine Form des Niederschlages, also kondensierter Wasserdampf. Auch Regentropfen haben keine „Tropfenform“. Bei einer Tropfengröße bis zu 0,5 mm sind sie kugelförmig. Normale Regentropfen von 2-3 mm Durchmesser und einem Gewicht von etwa 0,05 Gramm sind oben halbkugelförmig und unten durch den Luftwiderstand eingedellt. Als Zwischenstadium findet man Tropfen, die unten abgeflacht sind. Große Tropfen aus Gewitterregen (max. 9 mm) werden instabil und zerreißen durch den Luftwiderstand. Bei einem Tropfenradius von 0,05 bis 0,25 mm spricht man von Nieselregen.

Die Tropfengröße innerhalb des Niederschlags ist statistisch verteilt, wobei sich verschiedenen Regenintensitäten ein jeweiliges Maximum zuordnen lässt.

Druck

Der Tropfeninnendruck p hängt von der Oberflächenspannung (oder allgemeiner Grenzflächenspannung) γ der Flüssigkeit (eigentlich der Flüssig/Gas-Grenzfläche) und dem Radius r, sowie dem Luftdruck ab. Genaugenommen ist p die Differenz zwischen dem kapillaren Krümmungsdruck p_K und dem von außen wirkenden statischen Druck p_s. Der kapillare Krümmungsdruck ergibt sich zu

$p_K = 2 \gamma / r \!$.

Kleine Tropfen haben also einen hohen Innendruck. Ist der Tropfen nicht rund, muss man die zwei zueinander senkrechten und extremalen Radien r₁ und r₂ des Oberflächenelements, an welchem p_K wirkt, betrachten und erhält

$p_K = \gamma ( 1 / r_1 + 1 / r_2 ) \!$.

Schwingende Wassertropfen

Ein Wassertropfen, welcher mit einer Frequenz zwischen 30 und 120 Hertz in Schwingung versetzt wird, kann bei der richtigen Temperatur, Luftdruck, und vielen anderen Faktoren geometrische, plastische Formen erzeugen. Die Auf- und Abbewegung der Trägerplatte lässt das Wasser "tanzen".

Siehe auch

• Kondensation
• Nukleation
• Nebel
• Wolke
• Unterkühlung
• Gefrierender Regen

Literatur

• Ian Stewart: Die Tränenform In: Spektrum der Wissenschaft 03/1996, Spektrum der Wissenschaft Verlag, Seite 10, ISSN 0170-2971.

Weblinks

• Bildsequenz eines schwingenden Wassertropfen
• englische Seite zur Form von Regentropfen