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Physik im Alltag und Naturphänomene, Physikalisches Spielzeug & Freihandversuche, Rubrik: "Schlichting! "

Wenn Shampoo Sprünge macht

Kaye_IMG_2489Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/6 (2011), S. 48-49

Sobald bestimmte zähe Substanzen Scherkräften unterliegen beginnen sie plötzlich, sich zu verflüssigen.

… etwas, das trotz aller Flüssigkeit
in der Substanz eine Solidität in
der Form erreicht.
Italo Calvino (1923 – 1985)

Shampoo ist zum Haare waschen da – denkt man zumindest. Doch kaum betrachtet man die Substanz mit ein wenig Neugier, beschert sie uns ein eindrucksvolles Phänomen, das sogar schon die physikalische Forschung auf den Plan gerufen hat.
Ich selbst stieß zufällig darauf. Eines Tages drückte ich wieder einmal die zähflüssige Masse aus der Shampooflasche und ließ sie in einem dünnen Flüssigkeitsfaden auf meinen Handteller fließen. Plötzlich schoss der Strahl in weitem Bogen von der Hand weg, obwohl es schien, dass er sich bereits mit dem entstandenen kleinen Flüssigkeitshaufen vereinigt hatte (Foto oben).
Zuvor hatte ich Shampoo für eine träge und zähe Substanz gehalten – ein solch agiles Verhalten hätte ich ihr nie zugetraut. Und doch lässt sich das Phänomen mit vielen Shampoos und flüssigen Seifen reproduzieren. Sorgen wir zuerst dafür, dass wir es in Ruhe beobachten können. Wir nehmen eine große Schale mit ebenem Boden und fixieren den Shampoospender etwa 20 Zentimeter darüber. Zu Beginn lässt das Haarwaschmittel ähnlich wie andere zähe Flüssigkeiten, Honig etwa oder Sirup, einen kleinen Flüssigkeits-„Berg“ entstehen.
Trifft der Strahl nicht genau die Spitze des Bergs, sondern seine Flanken, kommt es vor, dass der Shampoostrahl einen mehr oder weniger großen Sprung zur Seite macht und sich dabei sogar zu enormen Höhen aufzusteilen vermag. Offenbar bildet sich durch die Wucht des auftreffenden Strahls zunächst eine kleine Mulde in der vergleichsweise „festen“ Substanz des ruhenden Shampoos. Mit dem fallenden Shampoo geht indessen Seltsames vor sich: Es lässt sich von den Muldenwänden umlenken und schießt als Flüssigkeitsjet scheinbar mühelos wieder in die Höhe. Dieser weist umso steiler nach oben, je tiefer die Mulde ist. Das Ergebnis erinnert an die unerwarteten Wasserfontänen beim Geschirrspülen, wenn ein fester Strahl aus dem Wasserhahn zufällig auf einen flachen Löffel oder auch in eine tiefe Kelle trifft.
Das Phänomen des Shampoojets ist indessen nur von kurzer Dauer. Denn der viskose Haufen und damit die Rampe, von welcher der Jet abhebt, laufen binnen weniger Sekunden auseinander. Doch kaum ist der Jet unterbrochen, lässt das von oben nachfließende Shampoo einen neuen Haufen anwachsen, der wiederum als Abschussrampe fungieren kann und so weiter.
Ein genauer Blick zeigt, dass der Shampoostrahl beim Gang durch die Mulde dicker wird (Abbildung Mitte). Weil er keine Substanz verloren hat, kann das nur bedeuten, dass er an GeschwKaye_effektrvindigkeit eingebüßt hat: Offenbar gibt er einen Teil seiner Bewegungsenergie als Reibungsenergie an die Muldenwand ab. Diese so genannte Energiedissipation ist auch der Grund dafür, dass Jets erst ab einer minimalen Fallhöhe auftreten. Ist die Höhe indessen geringer, wird die Bewegungsenergie vollständig dissipiert – für den Jet bleibt dann nichts übrig.
Aus diesem Sachverhalt könnte man umgekehrt schließen, dass die Shampoojets umso höher werden, aus je größerer Höhe die Flüssigkeit fällt. Doch stimmt das? Weil mit der Fallhöhe die Bewegungsenergie des Strahls zunimmt, vertieft er die Mulde entsprechend. Damit wächst aber auch die dissipierte Energie, denn schließlich verlängert sich die Strecke, entlang welcher der Strahl in Kontakt mit der Muldenwand tritt.
Die Dissipation nimmt dabei offensichtlich schneller zu als die Bewegungsenergie. Schließlich gehört es zu den Grundprinzipien unserer physikalischen Welt, dass bremsende Kräfte immer mit höherer Potenz als beschleunigende Kräfte wachsen – sonst würden die Dinge stets weiter beschleunigt und kämen nie zur Ruhe. Aus diesem Grund kann auch der Jet eine (von den jeweiligen Umständen abhängige) maximale Höhe nicht überschreiten.
Über kurz oder lang, so zeigen die Beobachtungen ebenfalls, kommt der immer steiler aus der Mulde herausschießende Jet dem fallenden Flüssigkeitsstrahl ins Gehege. Das kann man aber verhindern. Neigt man die flache Unterlage und damit die Oberfläche des – wegen seiner großen Viskosität nur langsam hinabrutschenden – Shampoos ein wenig, verkleinert sich der Abschusswinkel gegenüber der Horizontalen. Weil der Jet nun mehr zur Seite als in die Höhe schießt und auch flacher wieder auf der Flüssigkeit auftrifft, entsteht eine entsprechend flachere Mulde, so dass die Energie zu einem weiteren Start ausreicht. Im günstigsten Fall entstehen sogar ganze Kaskaden von Jetbögen schnell abnehmender Höhe.
Beim Auftreffen auf einem ebenen Boden bestimmt der Zufall die Flugrichtung der Jets. Bei geneigter Schale ist die Symmetrie jedoch gebrochen. Die entstehende Mulde ist nun asymmetrisch und besitzt auf ihrer „talwärts“ gerichteten Seite geringere Höhe. Auf dieser Seite ist daher auch die Kontaktstrecke zwischen Flüssigkeitsstrahl und Wand minimal und damit die dissipierte Energie. Genau dies strebt die Natur an: die Rate zu minimieren, mit der Energie dissipiert wird. Und genau darum bewegen sich die Jets nun vorzugsweise talwärts.
Diese wie ein schönes Spiel erscheinenden Vorgänge sind auch Gegenstand ernsthafter physikalischer Forschung. Der britische Physiker Arthur Kaye war 1963 der erste, der das nun nach ihm als Kayeeffekt benannte Phänomen beschrieb. 2006 klärte dann ein Team um Michel Versluis von der niederländischen University of Twente die physikalischen Zusammenhänge genau auf.
Ursache des Kayeeffekts ist eine merkwürdige Eigenschaft des Shampoos: Anders als im Fall Newtonscher Flüssigkeiten, welche konstante Viskosität besitzen, ändert sich die Viskosität nicht-Newtonscher Flüssigkeiten, sobald sie geschert werden, also eine seitliche Kraftwirkung erfahren. Im Fall des Shampoos wird die Viskosität durch die Scherung verringert. Die Flanken des Flüssigkeitsbergs verflüssigen den senkrecht fallenden Shampoostrahl also gewissermaßen, indem sie ihn seitlich beschleunigen. Der Haufen und damit die Muldenwandung behalten hingegen ihre „Härte“, sprich Viskosität und können den flüssigen Strahl darum wirkungsvoll ablenken.
Dieses scherverdünnende Verhalten wird vielen Flüssigkeiten des Alltags wie auch der wissenschaftlich-technischen Welt bei ihrer synthetischen Herstellung in die Wiege gelegt. Die Flüssigkeiten sollen hohe Viskosität besitzen, solange man sie in Ruhe lässt, aber bei Scherung niedrige Viskosität annehmen. So soll Shampoo nicht von der Hand laufen, bevor man es in die Haare transportiert hat – sich aber dort leicht verteilen lassen. Farben sollen zunächst auf dem Pinsel haften –   sich dann aber leicht auf der Wand verstreichen lassen (und trotzdem nicht gleich wieder herunterlaufen). Ähnliches gilt für Zahnpasta: Auf der Bürste soll sie fest sein, auf den Zähnen dann eher sirupartig (siehe Foto unten).
Kaye_effekt_schiefrvNatürlich kann man all dies schlicht mit Blick auf die Nützlichkeit des Phänomens betrachten. Oder aber man sieht es in einem umfassenderen Kontext wie der Strömungsforscher Theodor Schwenk (1910 – 1986), der „das Flüssige“ erlebt „als das Universelle, das noch nicht festgelegte Element, das aber fähig ist, sich von außen bestimmen zu lassen, als das Unbestimmte, aber Bestimmbare, als das ’sensible Chaos'“.

Literatur
Kaye, A.: A bouncing liquid stream. Nature, Bd. 197, S. 1001 – 1002, 1963.
Versluis, M. et al.: Leaping shampoo and the stable Kaye effect. Journal of Statistical Mechanics, S. 07007, 20. Juli 2006.
Videos: (1) https://www.youtube.com/watch?v=eKryTuRNdqA
(2) https://www.youtube.com/watch?v=Ifnx3XaySwk

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/wenn-shampoo-spruenge-macht/1069970

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