Neue Einblicke in die Teilchenbewegung

Physiker der Universität Bayreuth haben die Geschichtskraft (history force) auf Teilchen in Flüssigkeiten untersucht. Diese Kraft wird wegen ihrer komplexen Berechnung oft ignoriert. Dieses Versäumnis hat der Bayreuther Doktorand Frederik Gareis bereits als Gymnasiast während eines Schülerforschungsprojektes entdeckt.

Wenn sich Objekte wie Luftbläschen, Bakterien oder Mikroplastik durch ein Medium bewegen, wirkt auf sie eine viskose Reibungskraft. Verändern sich die Bewegungen von Teilchen und Flüssigkeit ständig – etwa durch Schütteln –, fällt diese Reibung deutlich größer aus als bei einer konstanten Relativgeschwindigkeit. Ursache hierfür ist die Basset-Boussinesq-Geschichtskraft. Sie hängt von der exakten Vorgeschichte der Bewegung und den entstehenden Wirbeln ab. Da die mathematische Erfassung dieses „Gedächtnisanteils“ extrem aufwendig ist, bleibt er in Modellen häufig unberücksichtigt. Das führt jedoch zu systematischen Fehlern. In Simulationen reagieren Teilchen dadurch zu schnell und werden schwächer gebremst als in der Realität. Ein genaues Verständnis der Geschichtskraft erlaubt es künftig, die Ausbreitung, Ablagerung und Verweildauer von Aerosolen, biologischen Partikeln oder Mikroplastik exakter vorherzusagen.

Das Nachwirken der Wirbel: Die unterschätzte Geschichtskraft

„Die Gesichtskraft wird häufig ignoriert, weil sie mathematisch kompliziert ist und Berechnungen deutlich aufwendiger macht. Ob so eine Vernachlässigung zu größeren Fehlern bei der Berechnung von Teilchenbewegungen in Flüssigkeiten führt, ist dabei oft gar nicht klar“, sagt Frederik Gareis.

Um diese Wissenslücke zu schließen, schlagen Gareis und sein damaliger Betreuer aus der Schülerforschungszeit, Prof. Dr. Walter Zimmermann, ein kontrolliertes Experiment vor. Dabei will man die Bewegung von festen Partikeln wie Mikroplastik, Tröpfchen oder Bakterien in horizontal geschüttelten Flüssigkeiten untersuchen. „Darin werden die Teilchen ständig beschleunigt oder gebremst. Für dieses Experiment machen wir zur Wirkung der Geschichtskraft auf die Teilchenbewegung genaue und experimentell überprüfbare Vorhersagen“, so Zimmermann. Ein zentrales Ergebnis der Arbeit zeigt bereits, dass gängige Theorien die Relativbewegung kleiner Teilchen in der Flüssigkeit ohne die Berücksichtigung der Geschichtskraft um teilweise bis zu 60 % überschätzen.

Verlässliche Simulationen

Die Forscher sagen präzise vorher, wie sich die Wirkung der Geschichtskraft auf Teilchen bereits an der Form bestimmter Messkurven ablesen lässt. Dadurch können Modelle und Simulationen gezielt überprüft werden, was Vorhersagen für praktische Anwendungen deutlich zuverlässiger macht. Zudem erklären Gareis und Zimmermann im Einzelnen den Mechanismus, wie die Wirbelbildung um beschleunigte Teilchen überhaupt erst zu dieser Geschichtskraft führt. „Unsere Ergebnisse erlauben nun Abschätzungen, wann die Geschichtskraft bei der Berechnung von Teilchenbewegungen in Strömungen in Natur und Technik nicht vernachlässigt werden sollte“, sagt Gareis.

Die Entdeckung der vergessenen Kraft

Die Entstehungsgeschichte dieser Forschung ist bemerkenswert, denn sie begann bereits während Frederik Gareis‘ Schulzeit. Als Gymnasiast untersuchte er im Rahmen eines Projekts für einen internationalen Schülerwettbewerb die Bewegung von Luftbläschen in geschütteltem Wasser. Beim Versuch, seine experimentellen Daten mit der bestehenden Fachliteratur abzugleichen, fiel auf, dass die gängigen Theorien zu Gasbläschen in geschüttelten Flüssigkeiten die Geschichtskraft schlicht ignorieren. Diese Entdeckung bildete den Startpunkt für ein langfristiges Forschungsprojekt. Das führte Gareis parallel zu seinem anschließenden Physikstudium an der Universität Bayreuth fort.

Quelle

Universität Bayreuth (05/2026)