Physik: Wie entstehen Seifenblasen?

Das Seifenblasenpusten ist mehr als nur ein beliebtes Kinderspiel – es beschäftigt sogar Physiker. Diese haben nun erstmals untersucht, wie und unter welchen Bedingungen die schillernden Blasen überhaupt entstehen. Wie sie feststellten, spielen dafür vor allem Dicke und Tempo des Luftstroms eine Rolle. Die Dicke des Seifenhäutchens erwies sich dagegen überraschenderweise als unwichtig.

Seifenblasen faszinieren nicht nur Kinder mit ihrer schillernden Fragilität, auch Forscher haben ihnen schon einiges an Gehirnschmalz und Experimenten gewidmet. So haben sie detailliert erkundet, wie die Blasen platzen, haben festgestellt, dass eine Wand aus Seifenblasen überraschend gut gegen Ultraschall isoliert und sogar auf der Raumstation ISS haben Astronauten Experimente mit Seifenblasen durchgeführt, um ihre Stabilität in der Schwerelosigkeit zu testen.

Delle in der Seifenhaut

Umso erstaunlicher, dass ein Aspekt der Seifenblasen bisher kaum untersucht worden ist: unter welchen Bedingungen sie entstehen. Louis Salkin und seine Kollegen von der Universität Rennes in Frankreich haben dies nun nachgeholt. Für ihre Studie richteten sie einen mittels Düse in Breite und Stärke regulierbaren Luftstrahl auf eine rund einen Meter große vertikale Seifenhaut und filmten das Geschehen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera.

Ist der Druck des Luftstrahle geringer als die Oberflächenspannung, bildet sich nur eine Delle in der Seifenhaut. © Salkin et al., Phys. Rev. Let. 2016

Die Aufnahmen zeigten, wie sich bei niedrigen Geschwindigkeiten des Luftstrahls eine kleine Delle in der Seifenhaut bildete. Je stärker der Strahldruck wurde, desto tiefer wurde auch die Delle. Erst wenn der Gasstrahl eine bestimmte Druckschwelle überschritt, wölbte sich die Delle so weit vor, dass sie ihre maximale Krümmung bekam und sich als Blase ablöste.

Druck und Größe des Luftstrahls sind entscheidend

Die Forscher erklären diese Beobachtungen so: Grundsätzlich stehen beim Seifenblasenpusten der Druck des Luftstrahls und die Oberflächenspannung der Seifenhaut in Konkurrenz. Die Oberflächenspannung strebt danach, die Wölbung der Delle möglichst gering zu halten und wirkt jeder Zunahme der Krümmung entgegen. Erst wenn der Druck groß genug ist, diese Gegenkraft zu überwinden, kann die Delle sich zu einer Halbkugel formen und sich ablösen.

Wie sich zeigte, beeinflusst dabei auch die Dicke des Luftstrahls, wie leicht eine Seifenblase entsteht: Je breiter der Strahl, desto geringer ist der Gasdruck, der für das Überschreiten der Blasenschwelle benötigt wird. Der Grund dafür: Die entstehenden Blasen besitzen eine geringere Krümmung, deshalb wird weniger Kraft benötigt, um der Oberflächenspannung entgegen zu wirken.

Erst wenn der Druck des Luftstrahls die Oberflächenspannung der Haut übertrifft, bilden sich Seifenblasen. © Salkin et al./ Phys. Rev. Let. 2016

Nützliche Erkenntnisse

Wenn wir die Seifenblasen durch Pusten erzeugen, ist der Luftstrahl allerdings meist breiter als die Öse mit der Seifenhaut. Auch diesen Fall testeten die Forscher im Labor. Es zeigte sich: In diesem Fall bestimmt die Größe der Öse, wie stark wir pusten müssen, bis die Blase entsteht. Keinen Einfluss auf die Seifenblasen-Produktion hat dagegen die Dicke der Seifenhaut oder ihre Fließgeschwindigkeit, wie die Forscher berichten. Auch Turbulenzen im Gasstrom spielen kaum eine Rolle.

„Uns ging es darum, ein Alltagsexperiment zu erklären“, betont Koautor Laurent Courbin. Aber die jetzt identifizierten Gesetzmäßigkeiten könnte auch helfen, die Blasenbildung bei verschiedenen industriellen Anwendungen zu verbessern, wie bei der Schaumstoffproduktion, oder diese zu vermeiden, wie in der Glasherstellung. (Physical Review Letters, 2016; doi: 10.1103/PhysRevLett.116.077801)

(CNRS/ Physics.org, 23.02.2016 – NPO)