Oszillierende Teestrahlen

Wer beim Eingießen von Tee oder Kaffee den Flüssigkeitsstrahl ins Visier nimmt, könnte sich über eine oszillierende Struktur des Strahls wundern. Dass ein Flüssigkeitsstrahl dazu tendiert, zwischen zwei verschiedenen Querschnitten, einem breiten und einem schmalen hin- und her zu schwingen, ist mir zum ersten Mal in Marrakech aufgefallen, als mir bei einer Einladung der traditionelle Minztee eingeschenkt wurde. Nachdem der Teestrahl das Glas erreicht hatte wurde die Kanne hochgezogen, sodass man davon beeindruckt war, dass er aus dieser Höhe das Teeglas überhaupt noch traf (siehe unteres Foto). Dabei fiel mir auf, dass der Teestrahl, dessen Länge über das übliche Maß hinausging, eine periodische Struktur aufwies.
Wenn der Tee die Öffnung der Kanne verlässt nimmt er schwerkraftsbedingt einen flachen Querschnitt an. Anschließend scheint er sich um seine Achse in Flussrichtung zu drehen und einen abermals flachen aber um 90° gedrehten Querschnitt anzunehmen. Auch das ist nicht von Dauer. Bevor er die Tasse erreicht, hat er sich schon wieder die flache Form angenommen, die er besaß, als er die Kanne verließ und das nur, um sich unmittelbar danach abermals zu drehen usw.
Warum er das macht? Die Natur ist bestrebt, so viel wie unter den gegebenen Umständen möglich an Energie an die Umgebung abzugeben. Betroffen sind im vorliegenden Fall zunächst (vor allem) die Oberflächenenergie des Strahls und die Höhenenergie. Am meisten Energie könnte an die Umgebung abgegeben werden, wenn die Oberflächenenergie und die Höhenenergie minimal wären. Der Strahl ist daher sowohl bestrebt, die kleinste Oberfläche anzunehmen – das wäre der Fall, wenn er einen kreisförmigen Querschnitt ausbildete – als auch so flach wie möglich zu werden. Beides ist nicht gleichzeitig zu haben. Denn je flacher der Strahl, desto mehr weicht er von der Kreisform ab und je kreisförmiger sein Querschnitt umso „höher“ ist er. Als Kompromiss stellt sich zunächst die Form ein, die der Strahl hat, wenn er die Teekanne verlässt.
Doch sobald er sich im (fast) freien Fall befindet, ist er schwerelos. Was die Form des Strahls angeht, spielt die Höhenenergie also keine Rolle mehr. Der Strahl hat also nichts Eiligeres zu tun, als kreisförmig zu werden. Doch aus Trägheit schießt er über das Ziel hinaus und nimmt – im Idealfall – eine um 90° verschobene flache Form an. Als rücktreibende Kraft macht sich das Bestreben bemerkbar, wieder zur Kreisform zurückzufinden. Die Form des Strahls schwingt erneut in Richtung Kreis zurück, schießt abermals übers Ziel hinaus, und das würde noch einige Male so weiter gehen, wenn er nicht inzwischen das Teeglas erreicht hätte.
Im unteren Foto sieht man aber sehr eindrucksvoll, dass schließlich noch etwas anderes passiert: Aufgrund der Beschleunigung des fallenden Strahls wird er immer mehr auseinandergezogen und dadurch immer dünner. Dabei wird er schließlich instabil und es schnüren sich einzelne Tropfen ab, die ihrerseits dazu tendieren, Kugelform anzunehmen, um die Oberfläche zu minimieren. Aber die Kugelform wird auch trotz der vergrößerten Fallstrecke nicht erreicht, weil Störungen (z.B. Wechselwirkung mit der Luft) immer stärker in Erscheinung treten. Siehe auch: Wasser auf der Wurfparabel.

Ein anderes Problem, das oft beim Einschenken des Tees störend in Erscheinung tritt, ist der sogenannte Teekanneneffekt, der nicht selten zu kleinen Katastrophen führt.