Bis zum letzten Tropfen: Wenn Physiker in der Küche forschen

Auch der letzte Milchtropfen soll noch in den Kaffee und vom teuren Olivenöl auch der letzte Rest noch über den Salat – mit schräg gehaltenen Flaschen oder Kartons stehen wir dann mehr oder minder geduldig in der Küche und warten.

Fast jeder kennt solche Situationen. Aber wie lange muss man eigentlich warten? Genau das fragten sich zwei Physiker der Brown University in Providence in den USA. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in dem Fachblatt Physics of Fluids.

Thomas Dutta, Doktorand der Physik erinnerte sich daran, wie seine Großmutter mit den letzten Tropfen kämpfte. Und sein Physikprofessor Jay Tang stand in der heimischen Küche immer wieder vor der Frage, wie lange es braucht, bis das Wasser nach dem Spülen seines gusseisernen Woks abläuft.

Küchenphysik statt Laborphysik

Eigentlich forscht Tang an der Biophysik von Bakterien, genauer gesagt daran, wie sich einzellige Organismen bewegen und wie sich Bakterienschwärme auf feuchten Oberflächen ausbreiten. Für diese Forschung muss man genau verstehen, wie Strömungsmechanik funktioniert. Um diese seinem Doktoranden Dutta näher zu bringen, beschloss Tang, Phänomene der alltäglichen Physik zu untersuchen.

So etwa das "Spülproblem" seines Woks. Denn den trocknet der Professor deswegen nicht ab, weil das die Ölschicht entfernen könnte, die das Anbrennen von Lebensmitteln verhindert. Doch bleibt der Wok zu nass, könnte sich beim Verdunsten des Restwassers Rost bilden.

"Wenn ich das Waschwasser ausgieße, bleibt immer etwas Wasser im Wok zurück", berichtet Tang. "Deshalb warte ich normalerweise ein paar Minuten, bis sich dieser Wasserfilm am Boden gesammelt hat, und gieße ihn dann einfach wieder aus."

Aber reichen diese paar Minuten, damit sich möglichst alles Restwasser zum Weggießen sammeln kann? Die beiden Forscher machten sich also daran, die Wartezeit für das Abtropfen von Flüssigkeiten genau auszurechnen. Sie untersuchten unter anderem Milch, Olivenöl, Ahornsirup – und besagtes Spülwasser aus dem Wok.

Von Strömungsmechanik und Ahornsirup

Zunächst errechneten Tang und Dutta die benötigte Zeit mithilfe der sogenannten Navier-Stokes-Gleichungen. Diese Gleichungen beschreiben die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen, etwa Wasser, Luft und Öl.

Nachdem die die Physiker in der Theorie vorausgesagt hatten, wie lange die Flüssigkeiten benötigen würden, um eine geneigte Oberfläche zu durchfließen, prüften sie das in Experimenten nach. Dabei ließen sie die Flüssigkeiten über eine Platte fließen, die in einem Winkel von 45 Grad geneigt war. Durch das Wiegen der abgeflossenen Menge bestimmten sie, wann 90 Prozent einer Flüssigkeit abgegossen waren.

Die Experimente bestätigten im Wesentlichen die theoretischen Berechnungen. So floss Wasser innerhalb weniger Sekunden ab. Bei Flüssigkeiten mit geringer Viskosität wie Milch dauerte es etwa 30 Sekunden, bis 90 Prozent des dünnen Flüssigkeitsfilms abgelaufen waren. Dickflüssigeres Olivenöl hingegen brauchte mehr als neun Minuten, und kalter Ahornsirup sogar einige Stunden.

Und das "Wok-Problem"? Mithilfe der Gleichungen der Strömungsmechanik entwickelte Dutta eine Computersimulation, um die optimale Wartezeit zum Sammeln des Restwassers im Wok zu ermitteln.

"Ich war überrascht und ehrlich gesagt etwas enttäuscht", resümiert Tang das Ergebnis. "Normalerweise warte ich nur ein oder zwei Minuten, aber es hat sich herausgestellt, dass ich viel geduldiger sein muss." Denn Duttas Berechnungen zeigten: Bis sich 90 Prozent des Restwassers auf dem Wok-Boden gesammelt haben, dauert es rund 15 Minuten.

Mario-Markus-Preis für spielerische Forschung

Wer jetzt den Kopf schüttelt bei so viel "Küchenphysik", dem sei gesagt: Für solch spielerische Forschung wurde extra ein Preis ins Leben gerufen: der Mario-Markus-Preis für ludische Wissenschaften. Er würdigt wissenschaftliche Arbeiten aus dem Bereich der Naturwissenschaften, die sich durch ihren spielerischen Charakter auszeichnen. Ludus kommt aus dem Lateinischen und bedeutet: das Spiel.

Vergeben wird der mit 10.000 Euro dotierte Preis seit 2022 von der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh). Mit rund 28.000 Mitgliedern gehört sie zu den größten chemiewissenschaftlichen Gesellschaften weltweit. Initiator des Preises ist der deutsch-chilenische Physiker Mario Markus, der am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie forschte und den Begriff der ludischen Wissenschaft geprägt hat.

Die Idee dahinter: Während Forschungsprojekte heute vor allem deswegen durchgeführt werden, weil man sich eine konkrete Anwendbarkeit erhofft, zeige der Blick in die Vergangenheit, dass neue Erkenntnisse immer wieder spielerisch und aus schierer Neugier erlangt wurden.

Wenn der Zufall mitforscht 

Und übrigens immer wieder auch aus purem Zufall oder durch vermeintlich misslungene Experimente.

So entdeckte Alexander Fleming das Penicillin nur deswegen, weil Sporen von Schimmelpilzen der Gattung Penicillium versehentlich auf Bakterienkulturen gelangten, die er für Experimente verwenden wollte - und Fleming sah, dass viele Bakterien abgestorben waren.

Charles Nelson Goodyear tropfte nur versehentlich eine mit Schwefel vermischte Masse aus Naturkautschuk auf eine heiße Herdplatte – danach war sie deutlich elastischer, robuster und stabiler: die Vulkanisierung von Gummi war entdeckt.

Und Knetgummi als Spielzeug haben wir einer Frau namens Kay Zufall zu verdanken. Die Kindergärtnerin erkannte, dass sich ein formbarer Tapetenreiniger auch zur Bespaßung von Kindern eignete.