Die rätselhafte Physik der Flüssigkeiten

Die Bewegung eines Pendels in einer Flüssigkeit wird durch Reibung gehemmt. Die

Die Bewegung eines Pendels in einer Flüssigkeit wird durch Reibung gehemmt. Die Bewegung der einzelnen Atome der Flüssigkeit erfolgt jedoch verlustfrei und entlang glatter Bahnen. Erst das chaotische Zusammenspiel vieler Atome führt zu Reibung. Bildquelle: © Arthur Straube & Felix Höfling

Forscherteam der Freien Universität Berlin ergründet mit Hochleistungssimulationen und mathematischen Modellen die Entstehung von Reibung in Flüssigkeiten

Physiker des Exzellenzclusters MATH+ und des Sonderforschungsbereichs SFB 1114 der Freien Universität Berlin haben neue Erkenntnisse über die Entstehung von Reibung in Flüssigkeiten gewonnen. Dieses physikalische Phänomen konnte bisher nur unzureichend erklärt werden, und seine Erforschung gehört nach wie vor zu den größeren Herausforderungen der Physik. ,,Reibung" beschreibt hier den Widerstand eines Körpers, wenn er durch eine Flüssigkeit gezogen wird. Dabei bestimmt die Reibung darüber, wie viel Energie nötig ist, um die Bewegung aufrechtzuerhalten, beziehungsweise wie viel Energie durch die Bewegung verloren geht. ,,Die Bewegung der Atome folgt, etwas vereinfacht, den Newtonschen Gesetzen und ist daher energieerhaltend. Die Gleichungen der Fluidmechanik hingegen setzen eine innere Reibung voraus," erklärt Felix Höfling, Mitautor der Studie und an der Freien Universität Berlin. Den Wissenschaftlern ist es nun gelungen, diese vermeintlich unvereinbaren atomistischen und hydrodynamischen Beschreibungen derselben Flüssigkeit miteinander zu verbinden. Das Forscherteam kombinierte Hochleistungssimulationen mit mathematischen Berechnungen. Dadurch konnte es aufzeigen, wie Reibung in Flüssigkeiten überhaupt entsteht, über welche Eigenschaften sie verfügt und welche physikalischen Kräfte dabei wahrscheinlich zusammenwirken. Veröffentlicht wurde die Forschungsarbeit in der renommierten Fachzeitschrift ,,Communications Physics" (Nature-Verlag). Künftig wollen die beteiligten Forscher ihre Einsichten und Methoden auch bei der Lösung konkreter Probleme anwenden, etwa bei der Frage, wie Zellen durch Gewebe wandern, oder bei der Untersuchung verschiedener weicher Materialien.

Die Wissenschaftler der Fachbereiche Physik sowie Mathematik und Informatik der Freien Universität gingen bei ihrer Forschungsarbeit davon aus, dass die Reibung, die bewegte Körper in Flüssigkeiten erfahren, nicht immer gleich ist. Erfolgt die Bewegung periodisch - wie bei einem schwingenden Pendel, das in eine Flüssigkeit getaucht wurde - so hängt die Reibung von der Frequenz der Bewegung ab. Der dabei auftretende Verlust an innerer Energie wird auch Dissipation genannt. Das Forscherteam konnte in seiner Studie Dissipationsspektren präzise beschreiben und mathematisch zeigen, dass Reibung erst unterhalb einer bestimmten Frequenz und unerwartet abrupt auftritt. Für sehr schnelle Bewegungen oberhalb dieses Wertes erfahren die Moleküle keinen Widerstand, erklären die Wissenschaftler; bei diesen hohen Frequenzen im Terahertz-Bereich höre die Flüssigkeit auf zu fließen und reagiere wie ein elastischer Festkörper. Dieses sogenannte visko-elastische Verhalten ist aus der Polymerphysik bekannt. Es tritt beispielsweise bei Zahnpasta auf, die sich erst durch die Putzbewegung verflüssigt. Die Beobachtungen lassen den Physikern zufolge darüber hinaus den Schluss zu, dass Reibung verzögert einsetzt und die vorangegangenen Bewegungen die Moleküle der Flüssigkeit auch fortdauernd beeinflussen, dass diese Moleküle also eine Art ,,Bewegungsgedächtnis" besitzen.

Noch sind viele physikalische Vorgänge an der Schnittstelle der Nanophysik und Fluiddynamik unerforscht. Den Physikern der Freien Universität ist mit ihrer Studie nun ein Schritt hin zu einem besseren Verständnis dieser Phänomene gelungen.

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