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Der Meniskus-Trick des
Wasserläufers
Für Wasserläufer ist der Meniskus
am Rand einer Wasseroberfläche kein Hindernis - sie
rutschen ihn einfach hinauf!
In der Welt der millimetergroßen
Lebewesen ist manches anders als in unserer Welt: Die
Luft ist eine Flüssigkeit, flüssiges Wasser ist fast so
zäh wie Honig und auf seiner Oberfläche lässt es sich
bequem herumspazieren. Einige Insekten und Spinnen haben
die Kunst des Wasserlaufens perfektioniert. Ohne in das
Wasser einzutauchen, drücken ihre wasserabweisenden
Beinchen die Wasseroberfläche soweit ein, bis die
Oberflächenspannung dem Körpergewicht die Waage hält. Um
voranzukommen, erzeugen diese Tiere mit ihren Beinen
kleine Wirbel im Wasser (ähnlich den Wirbeln hinter
einem Ruderboot), die die Impulsänderung aufnehmen. Das
hatten John Bush und seine Kollegen am MIT vor zwei
Jahren herausgefunden.
Doch eine Wasseroberfläche, die uns
Menschen glatt erscheint, ist für Insekten und Spinnen
alles andere als eben. Der Rand der Wasseroberfläche
sowie jedes eintauchende Blatt oder Stöckchen ist von
einem Meniskus umgeben. In der Nähe eines festen
Objekts, das in das Wasser eintaucht und von ihm benetzt
wird, führen Kapillarkräfte dazu, dass die
Wasseroberfläche nach oben gekrümmt ist. In dieser knapp
3 Millimeter breiten Zone türmt sich das Wasser zu einem
Wall. Während größere, auf dem Wasser laufende Tiere
diesen Wall übersteigen können, ist er für kleinere
Wasserläufer ein scheinbar unüberwindliches Hindernis.
Frühere Beobachtungen haben indes gezeigt, dass kleine
Wasserläufer und andere Insekten den Meniskus sehr wohl
überwinden können, indem sie ihn scheinbar mühelos
hinaufgleiten. Wie machen sie das? Dieser Frage sind
jetzt John Bush und seine Mitarbeiter
nachgegangen.
Einen ersten Hinweis
auf die richtige Antwort erhält man durch einen Blick in
eine gefüllte Kaffeetasse. Kleine Luftbläschen, die auf
der Flüssigkeitsoberfläche schwimmen und jeweils von
einem aufwärts gekrümmten Meniskus umgeben sind, ziehen
einander an und werden auch von der Wand der Tasse
angezogen. Hier sind seitlich wirkende Kapillarkräfte am
Werke. Immer wenn sich zwei aufwärts gekrümmte Menisken
zu nahe kommen, gibt es eine anziehende Kraft. Legt man
hingegen vorsichtig eine Büroklammer auf die
Flüssigkeitsoberfläche, dann wird sie vom Rand der Tasse
abgestoßen. Das Zusammentreffen des abwärts gekrümmten
Meniskus der Büroklammer und des aufwärts gekrümmten
Meniskus an der Tassenwand führt zu abstoßenden
Kapillarkräften. Ein Wasserläufer, der mit seinen
Beinchen die Wasseroberfläche eindrückt, würde also vom
(aufwärts gekrümmten) Meniskus am Rand der
Wasseroberfläche abgestoßen.
Videoaufnahmen mit einer
Hochgeschwindigkeitskamera brachten des Rätsels Lösung:
Wasserläufer können mit ihren Beinchen die
Wasseroberfläche nicht nur eindrücken sondern auch
geringfügig hochziehen. Dazu haben sie an den Enden
ihrer Beine hydrophile Klauen, die normalerweise
zurückgezogen sind, um die Tiere beim Wasserlaufen nicht
zu behindern. In der Nähe eines Meniskus, den das Tier
überwinden will, werden diese Klauen am vorderen und
hinteren Beinpaar ausgefahren, während das mittlere
Beinpaar wasserabweisend bleibt und den nötigen
"Auftrieb" gibt. Vor allem mit den jetzt hydrophilen
Vorderbeinen hebt das Tier die Wasseroberfläche ein
wenig an und erzeugt so einen kleinen aufwärts
gekrümmten Meniskus, der es ihm ermöglicht, den Meniskus
am Rand der Flüssigkeitsoberfläche hoch zu
rutschen.
Die
Forscher haben ihre plausible Erklärung auch quantitativ
überprüft. Anhand der Videoaufnahmen bestimmten sie die
Geschwindigkeiten, mit denen die Wasserläufer den
Meniskus hoch gerutscht waren. Diese Geschwindigkeiten
betrugen einige Zentimeter pro Sekunde und nahmen beim
Hinaufgleiten schnell zu. Die theoretisch zu erwartenden
Gleitgeschwindigkeiten der Wasserläufer berechneten die
Forscher mit Hilfe der Young-Laplace-Gleichung, die die
Kräfte an einer Flüssigkeitsoberfläche mit der
Oberflächenkrümmung in Zusammenhang bringt. Gemessene
und berechnete Geschwindigkeiten stimmten sowohl in
ihrer Größe als auch in ihrem zeitlichen Verlauf
hervorragend überein.
Die kleinen Wasserläufer sowie andere
Insekten und auch Spinnen können also einen Meniskus
erklimmen, ohne sich dabei bewegen zu müssen, indem sie
die Wasseroberfläche deformieren. Dazu müssen sie sich
allerdings kräftig gegen die Oberflächenspannung
anstemmen. Die Energiebilanz fassen die Forscher so
zusammen: Die Muskelanspannung wird in
Oberflächenenergie umgewandelt, die das Hinaufgleiten
der Tiere antreibt. Wenn es für ein biologisches Problem
eine physikalische Lösung gibt - die Evolution
findet sie.
Rainer Scharf
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Forschung
Peter V.
Foukal
Nanoelectronics and Information
Technologie.
Photonic Crystals