Im Gastblog erzählt die Physikerin Andrea Navarro Quezada über die Untersuchung von schwimmenden Entenkükenformationen.
Am 6. Oktober wurde der Nobelpreis für Physik an den österreichischen Physiker Anton Zeilinger, den französischen Physiker Alain Aspect und den Amerikaner John Clauser für deren Arbeiten zur Quantenforschung verliehen. Seitdem wurde Anton Zeilinger mehrfach interviewt, trat in Radio- und Fernsehsendungen auf und versuchte, das Phänomen der Quantenverschränkung auf einfache Weise mithilfe von Nussschnecken, Zwillingen und bunten Würfeln zu erklären. Daher werde ich heute nicht versuchen, auf die Quantenphysik einzugehen, sondern vielmehr über eine andere Art von Wissenschaftspreis schreiben: den Ig-Nobelpreis.
Der Name Ig-Noblepreis kommt aus dem englischen Wortspiel "ignoble", was als unehrenhaft oder unwürdig übersetzt werden kann. Mit diesem Preis werden wissenschaftliche Leistungen gewürdigt, die die Menschen erst zum Lachen und dann zum Nachdenken bringen. Die Preise sollen das Ungewöhnliche auszeichnen, den Einfallsreichtum ehren und das Interesse der Menschen an Wissenschaft, Medizin und Technologie steigern. Die Ig-Nobelpreise werden jedes Jahr im September in einer Zeremonie in Harvard verliehen. Der diesjährige Ig-Nobelpreis für Physik ging an den Physiker Zhi-Ming Yuan und seine Kollegen und Kolleginnen von der Universität Strathclyde in Glasgow für den Versuch zu verstehen, wie es Entenküken gelingt, in Formation zu schwimmen.
Eine einzelne Ente im Wasser
Was ist also die Physik hinter der Schwimmformation von Entenküken? Eigentlich ist die Antwort ganz einfach: Es handelt sich um Energieminimierung, wie bei vielen anderen Problemen in der Physik. Was man unter Energieminimierung verstehen kann: Betritt man ein fünfstöckiges Gebäude, so werden die meisten von uns den Aufzug statt der Treppe nehmen um in den fünften Stock zu gelangen, denn das Stiegensteigen erfordert mehr Energie als das Betreten des Aufzugs. In der Natur ist es nicht anders.
Im Fall einer Ente (es können auch Gänse oder andere Schwimmvögel sein) im Wasser kann man sich drei Szenarien vorstellen, wie in der Abbildung aus der Publikation von Zhi-Ming Yuan und Co oben zu sehen ist: Im ersten Szenario (b) befindet sich die Ente in ruhigem Gewässer (gezeichnet durch eine flache grüne Linie) und kann dank des hydrostatischen Drucks des Wassers (als blaue Pfeile dargestellt, bei vergrößertem Bild erkenntlich), der gegen das Gewicht ihres Körpers wirkt, schwimmen. Anders formuliert: Das Wasser drückt die Ente nach oben, während ihr Gewicht sie nach unten drückt. Aufgrund des Kräftegleichgewichts schwimmt die Ente auf dem Wasser.
Das zweite (c) und dritte (d) Szenario ist, wenn das Wasser in Bewegung ist und sich Wellen (gewellte grüne Linie) bilden. Die meisten von uns haben schon Wasserwellen in Seen, Teichen oder im Meer gesehen. Eine Welle, egal ob es sich um eine Wasserwelle, eine Lichtwelle oder eine Schallwelle handelt, hat einen höchsten Punkt oder Kamm und einen tiefsten Punkt oder Tal. Der Abstand zwischen zwei Kämmen (oder zwei Tälern) wird als Wellenlänge bezeichnet. Beim sichtbaren Licht bestimmt die Wellenlänge die Farbe, von rot (große Wellenlänge) bis violett (kurze Wellenlänge).
Aber zurück zu den Enten: Schwimmt das Tier mit seiner Brust in einem Kamm (Szenario zwei), dann muss es sich mehr anstrengen, um die Welle zu überwinden. Wenn es jedoch auf der Welle reitet, das heißt mit der Brust auf einem Tal und dem Unterleib auf einen Kamm (Szenario drei), benötigt sie weniger Energie, da sie von der Welle getragen wird. Daher ist es für eine einzelne Ente energetisch günstiger, immer mit dem Unterleib auf dem Wellenkamm zu schwimmen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Position der Ente in Bezug auf die Welle unverändert bleibt, das heißt die Ente muss sich mit einer konstanten Geschwindigkeit vorwärtsbewegen, die gleich der Geschwindigkeit (korrekterweise Gruppengeschwindigkeit) der Welle ist. Bewegt sich die Ente schneller als die Welle, fällt sie zurück in Szenario zwei und muss sich wieder anstrengen, um erneut die Welle zu reiten.
Die Entenküken-Schwimmformation
Haben Sie schon einmal eine schwimmende Ente beobachtet? Die Bewegung der Ente im Wasser erzeugt ein sehr typisches Muster: ein Dreieck, das aus zwei Seitenarmen und einer gleichmäßigen Welle dahinter besteht. Dies ist in der nachstehenden Abbildung von oben dargestellt, wobei die rote und die blaue Farbe den Wellenkamm- beziehungsweise das Wellental darstellt.
Um verstehen zu können, warum die Entenküken hinter ihrer Mutter in gleichmäßigen Abstände herschwimmen, haben die Physiker und Physikerinnen zunächst die Bewegung der Mutter mathematisch simuliert. Dazu haben sie die Entenmutter als eine große Ellipse genähert. Dann platzierten sie ein Entenküken - simuliert durch eine kleine Ellipse - an verschiedenen Positionen in ihrer Simulation und lösten mathematisch die Position der minimalen Energie für die Ente in Bezug auf die Bewegung der Mutter. Danach erhöhten sie die Anzahl der Entenküken.
Das Ergebnis war, dass die Entenküken die gleiche Geschwindigkeit wie ihre Mutter, die den Weg anführt, beibehalten müssen, um die minimale Energiebedingung zu erfüllen. Und die Forscher fanden heraus, dass die beste Position für die Entenküken die ist, in der sie in den Wellentälern der gleichmäßigen Welle hinter ihrer Mutter schwimmen, wie auch auf dem Bild zu sehen ist. Aber war es nicht günstiger, auf dem Wellenkamm zu schwimmen? Schon, aber das gilt nur für eine einzelne Ente. Wenn die Entenküken in Formation hinter ihrer Mutter schwimmen, überlagern sich die Wellen, die von den Entenküken und der Mutter erzeugt werden, und machen die Position am Tal energetisch günstiger. Man könnte sagen, dass die Entenküken von der Bewegung der Mutter in dieser besonderen Formation getragen werden.
Nun könnten sich manche denken, dass dies nutzloses Wissen ist, aber nach Ansicht der Autoren könnte das Verständnis der Prinzipien der Schwimmformation von Entenküken dazu genutzt werden, um moderne Frachtschiffe zu entwerfen, wie zum Beispiel einen Wasserzug, um mehr Ladung ohne zusätzliche Treibstoffkosten zu transportieren. Auf jeden Fall hat mich der Ig-Nobelpreis für Physik dazu gebracht, schwimmende Enten aus einer anderen Perspektive zu betrachten, und ich hoffe ein paar der Leserinnen und Leser auch. (Andrea Navarro-Quezada, 17.11.2022)
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