Die unerträgliche Leichtigkeit des Steins, Teil 2
Physiker entwickeln Wurfmaschine für Kieselsteine und wollen den Weltrekord im Ditschen brechen
Einen flachen Stein am Ufer eines Gewässers aufsammeln, ihn zwischen Daumen und Zeigefinger nehmen und in Richtung der Wasseroberfläche schleudern, wo er möglichst oft hüpfen soll, bevor er in den Fluten versinkt. Das alltägliche Spiel ist Tausende von Jahren alt, schon die Griechen der Antike amüsierten sich damit.
Die meisten Steinewerfer probieren nach dem Trial-and-Error-Prinzip, bis sie für sich den richtigen Dreh raus haben. Aber im Grunde beruht Steine-hüpfen-lassen auf den Regeln der Physik und die Bedingungen eines optimalen Wurfes sind genau berechenbar.
Die meisten haben es schon einmal versucht und vorher schlicht andere beobachtet oder es sich erklären lassen, bevor sie einen Kieselstein aufs Wasser warfen. An sich ein einfacher Vorgang, wie der Physiker Lydéric Bocquet bei seinen Studien über das Steine ditschen vor einigen Monaten feststellte: "Unsere Intuition gibt uns einige empirische Regeln für den besten Wurf: die besten Steine sind flach und möglichst rund; man wirft sie sehr schnell und in einem kleinen Winkel zur Wasseroberfläche; man gibt dem Stein mit einem Finger einen kleinen Kick, um ihn in eine Drehbewegung zu versetzen." (vgl. Die unerträgliche Leichtigkeit des Steins).
So weit kennt das jeder und stolz zeigen geschickte Eltern am Ufer ihren Kindern wie sie Kiesel ein-, zwei oder dreimal tanzen lassen können, bis sie mit einem satten "Pluff" endgültig auf den Grund des Gewässers sinken. Das kommt vor staunenden Kinderaugen gut an, aber Könner lässt es nur müde lächeln. Sportlich ambitionierte Anhänger des Steinehüpfens oder Ditschens, Flitschens, Plattelns, Klippens, Schifere oder Stein-Schnellens, wie der Zeitvertreib im Deutschen je nach Region auch genannt wird, organisieren sich und fahren zu den "World Stone Skipping Championships", die vom US-Verband "North American Stone Skipping Association" (NASSA) veranstaltet werden. Der gültige Weltrekord liegt seit Jahren bei einem Wurf mit 38 Hüpfern.
Die Physiker denken, dass sie ihn brechen können, wenn sie erst alle Zusammenhänge aufgeschlüsselt haben. Zusammen mit Bocquet entwickelten nun Christophe Clanet vom "Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre" (IRPHE) in Marseille und Fabien Hersen von der Ecole Polytechnique in Palaiseau eine Schleudermaschine, um die Vorgänge des Steinhüpfens nach allen Regeln der Physik im Detail zu untersuchen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie unter dem Titel "Secrets of successfull stone-skipping" im Wissenschaftsjournal Nature.
Die entscheidenden Grundfaktoren für einen gelungenen Wurf sind die Form des Steins, seine Fluggeschwindigkeit, seine Eigenrotation um die eigene Achse und sein Aufprallwinkel bezüglich der Wasseroberfläche. Ausgehend von besten Bedingungen (wie kein Wind und keine Wellen) hatte Bocquet bereits errechnet, dass ein zehn Zentimeter großer, runder Stein mit 40 Stundenkilometern und 14 Umdrehungen pro Sekunde in einem flachen Winkel auf das Wasser auftreffen müsste, um sich möglichst oft wieder in die Luft zu erheben. Die Kollisionen mit der Wasseroberfläche bremsen das steinerne Geschoss ab und verändern zunehmend seinen Aufprallwinkel, bis die Bewegungsenergie erschöpft ist und es untergeht. Das nun eigens konstruierte Katapult der französischen Wissenschaftler schleudert Aluminiumscheiben in ein Wasserbecken, wobei die Flugbahn von Hochgeschwindigkeitskameras beobachtet wird. Der Moment des einzelnen Aufpralls, der normalerweise weniger als eine Hundertstelsekunde dauert, wird so im Ablauf dokumentiert. Alle Ausgangsbedingungen wie Beschleunigung, Drehmoment und Flugbahn sind dabei genau kontrolliert.
Bei ihren Experimenten zeigte sich, dass dem Winkel, in dem das Objekt auf die Wasseroberfläche trifft, eine zentrale Funktion zukommt. Um optimal abzuprallen, sollte der Stein in einem Winkel von 20 Grad auf das Wasser aufsetzen. Christophe Clanet ist sich sicher: "Das ist der magische Winkel." Die anderen Faktoren spielen auch eine wichtige Rolle, aber der Winkel ist das zentrale Element: er erlaubt dem Stein bei weiteren Sprüngen nicht zu hoch zu hüpfen und dadurch zu viel Energie zu verlieren oder zu tief aufzukommen und gleich unter Wasser zu verschwinden. Nach der neuen Studie muss die fliegende, runde Scheibe bei einem Durchmesser von fünf Zentimetern mindestens 2,5 Meter in der Sekunde zurücklegen, um selbst bei bestem Aufprallwinkel nicht sofort abzusaufen.
Die drei Physiker gehen davon aus, dass ihre Ergebnisse dazu beitragen werden, beim nächsten "World Stone Skipping Championship" den amtierenden Rekord zu brechen. Sie schreiben:
Der "magische" Winkel von 20 Grad lässt entsprechend erwarten, dass die Anzahl der Hüpfer maximiert wird, weil die Menge der während einer Kollision verbrauchten Energie direkt proportional zur Kollisionszeit ist. Die alte Kunst des Steinehüpfens könnte deswegen direkt von den Erkenntnissen der modernen Wissenschaft profitieren.