Überblick

Fließen, Scheren, Schmelzen

In dichten Flüssigkeiten treten faszinierende nichtlineare Phänomene auf wie die Scherverdünnung.

  • Thomas Voigtmann
  • 07 / 2013 Seite: 29

Hat die Alltagsphysik von Küche bis Kosmetika etwas mit der Festigkeit von Bauwerken zu tun? Die Frage, wie zäher Ketchup fließt oder wie gegossene Bauteile unter Belastung nachgeben, beinhaltet verwandte und äußerst vielfältige nichtlineare Einflüsse externer Felder auf die Dynamik. Dabei tritt unabhängig vom spezifischen System häufig ein generisches Verhalten auf, das sich mit Methoden der statistischen Physik im Nichtgleichgewicht erklären lässt. Diese Methoden ­erlauben es zum Beispiel, einige vor über hundert Jahren empirisch formulierte Gesetzmäßigkeiten in diesem Forschungsgebiet zwischen Material­forschung und Grundlagenphysik zu begründen.

Das Streichen einer Wand basiert, neben Fragen der Chemie und der Ästhetik, auf grundlegenden nichtlinearen physikalischen Phänomenen. Im Behälter noch eine relativ zähflüssige Masse, lässt sich Dispersionsfarbe doch bemerkenswert leicht streichen − sie wird während des Prozesses wesentlich weniger viskos. Trotzdem gelingt es, die bestrichene Fläche einigermaßen frei von „Nasen“ zu halten, und die frisch aufgetragene Farbe fließt auch nicht herunter (wie aufgrund ihres eben noch dünnflüssigen Verhaltens vielleicht zu erwarten). Bewegt sich der Pinsel mit einer Geschwindigkeit υ gegenüber der Wand, so entsteht im Farbfilm der Dicke h ein Geschwindigkeitsgradient dγ/dtυ/h. Diese Scherrate spielt die Rolle eines angelegten mechanischen Feldes. In diesem Feld ändert sich eine Materialeigenschaft, nämlich die Viskosität, drastisch. Wandfarbe ist nur ein Beispiel unter vielen komplexen Fluiden, in denen solche feldinduzierten Änderungen anwendungsrelevant sind.

Von „einfachen“ Flüssigkeiten kennen wir die Viskosität als Materialkonstante, die unabhängig von der Stärke des externen Feldes angibt, wie leicht oder zäh die Flüssigkeit fließt. Dahinter steckt das Prinzip der ­linearen Antwort auf schwache Störungen − für Flüssigkeiten von Isaac Newton formuliert: Innere Reibung erzeugt in der Flüssigkeit Spannungen σ, die linear mit der Amplitude des Feldes dγ/dt variieren. Die Proportionalitätskonstante η  =  σ/dγ/dt ist dann gerade die amplituden­unabhängige „Newtonsche“ Schervisko­sität.

Welche Scherraten „schwach“ oder „langsam“ sind, verrät der Vergleich von 1/dγ/dt (das die Einheit einer Zeit hat) mit den Zeitskalen der durch thermische Fluktuationen hervorgerufenen Dynamik. In gewöhnlichem Wasser wären das etwa molekulare Schwingungen mit τ0  ≈  1 ps. Jede realistische Scherrate ist langsam dagegen (τ0  <<  1/dγ/dt), die Newtonsche Annahme somit erfüllt. ...

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