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Donnerstag, 29.09.2016
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Alltagsphysik: Schaumiges Rätsel gelöst

Forscher klären, warum ein Cappucino weniger schwappt als ein Milchkaffee

Dämpfende Bläschen: Getränke mit Schaum wie Bier oder auch Cappuccino scheinen weniger leicht überzuschwappen – aber warum? Das haben Physiker jetzt genauer untersucht – mit erstaunlichen Ergebnisse: Die kleinen Bläschen wirken wie ein Dämpfer. Schon eine Schaumdecke aus fünf Blasenschichten dämpft das Schwappen um das Zehnfache, wie die Forscher im Fachjournal " Physics of Fluids" berichten.
Der Schaum ist verantwortlich dafür, dass ein Cappuccino seltener überschwappt

Der Schaum ist verantwortlich dafür, dass ein Cappuccino seltener überschwappt

Die Idee kam Emilie Dressaire von der Princeton University in einem Coffeeshop: Als ihr der Barista ihren Becher mit Caffee Latte übergab, merkte er an, dass sie bei diesem Getränk wahrscheinlich keinen Deckel brauchen werde, um ein Überschwappen zu verhindern. Zurück im Labor ihrer Arbeitsgruppe für die Physik komplexer Flüssigkeiten, erzählte sie ihren Kollegen davon und diese berichteten von ähnlichen Erfahrungen mit Bier: Wenn sie einen Pint Guiness trugen, ein sehr schaumiges Bier, dann schwappte es fast gar nicht. Die Forscher beschlossen daraufhin, diesem Phänomen mit einem Experiment nachzugehen.

Schaukeltest im Labor


Dafür füllten die Physiker eine Lösung aus Wasser, Glycerin und einem Geschirrspülmittel in einen durchsichtigen Versuchsbehälter. Das Geschirrspülmittel diente ihnen dabei als Schaumbildner. Bliesen sie Luft durch einen feinen Schlauch in die Flüssigkeit, entstand an der Oberfläche eine Schicht gleichmäßiger, rund drei Millimeter großer Blasen. "Der Spülmittelschaum ist sehr stabil, dadurch konnten wir unsere Experimente durchführen, ohne dass die Blasen platzen und verschwanden", erklärt Teammitglied François Boulogne.

Anschließend setzen die Forscher ihr "Schaumgetränk" zwei verschiedenen Bewegungen aus: einmal einem abrupten seitlichen Stoß und einmal einem gleichmäßigen Vor- und Rückwärtsschaukeln. Mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera zeichneten sie auf, was an der Flüssigkeits-Oberfläche und in den verschieden dicken Schaumschichten geschah.


Ohne Schaum schwappt es mächtig (oben links). Kommen jedoch Blasenschichten hinzu, dämpfen sie die Bewegung

Ohne Schaum schwappt es mächtig (oben links). Kommen jedoch Blasenschichten hinzu, dämpfen sie die Bewegung

Fünf Blasenschichten reichen schon


Und tatsächlich: Mit einer Schaumschicht schwappte die Flüssigkeit deutlich weniger stark als ohne. Schon fünf Blasenschichten reichten dabei aus, um das Schwappen um das Zehnfache zu verringern, wie die Forscher berichten. Jede weitere Blasenlage trug dann nur noch wenig dazu bei, die Bewegung der Flüssigkeit weiter zu dämpfen.

Wie die Aufnahmen enthüllten, ist für diesen Dämpfungs-Effekt offenbar der Kontakt des Schaums mit der Gefäßwand entscheidend: Die Reibung der Bläschen an der Wand absorbiert einen Teil der Bewegungsenergie und macht die Flüssigkeit damit ruhiger. Berührte der Schaum im Versuch nicht die Gefäßwand, dann schwappte die Flüssigkeit fast genauso stark wie ganz ohne Schaumkrone.

Besserer Schutz für Tankwagen


Diese Erkenntnis ist nicht nur für eingefleischte Kaffee- oder Biertrinker interessant, wie die Wissenschaftler betonen. Sie könnte auch dazu beitragen, Gefahrtransporte von flüssigem Gas oder Öl sicherer zu machen. Denn auch sie können beispielsweise durch abrupte Fahrmanöver von Tankwagen ins Schwappen geraten und dann im Extremfall so starke Kräfte entwickeln, dass die Tankhülle reißt oder bricht. Würde man auch auf diese Flüssigkeiten eine Schaumschicht applizieren, ließe sich diese Gefahr verringern.

"Die potenziellen Anwendungen gehen daher weit über Bier und Kaffee hinaus", so Studienleiter Alban Sauret, der inzwischen bei der französischen Forschungsorganisation CNRS arbeitet. (Physics of Fluids, 2015; doi: 10.1063/1.4907048)
(American Institute of Physics (AIP), 25.02.2015 - NPO)
 
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