Blog-Warum gibt es Wassertropfen?

Warum gibt es Wassertropfen?
Wie kommt es das eine Flüssigkeit wie Wasser, die dazu neigt,
in alle Richtungen zu fließen, immer Tropfen bildet?

Die Antwort ist, dass es mit der Oberflächenspannung zu tun hat.
Es ist ein Naturgesetz, dass die Energie im statischen Fall immer nach einem Minimum strebt.
Und das Minimum ist eine Kugel bzw. ein Tropfen.

Bei der Oberflächenspannung ist die Energie proportional zur Fläche der Oberfläche.
Die Oberfläche erreicht ein Minimum, wenn sie kugelförmig ist, wenn die Schwerkraft vernachlässigt werden kann, was passiert, wenn der Tropfen klein genug ist.

Zwischen den Molekülen herrscht eine Anziehungskraft, die sich in ihrer Mitte ausbalanciert.
Auf der Flüssigkeitsoberfläche hingegen wirken die Kräfte
nur senkrecht zur Oberfläche und auf die Flüssigkeitsmasse zu.
Die Moleküle an der Wasseroberfläche reagieren also auf diese Kraft.

Das bedeutet, dass gegen diese Kräfte gearbeitet werden müsste, um die Wasseroberfläche zu vergrößern und keine Kugel bzw.Tropfen zu bilden.
Mit anderen Worten, es ist eine Energie erforderlich, um die Fläche der Oberfläche zu vergrößern.
Diese erforderliche Energie pro Flächeneinheit (Energie wird normalerweise in Erg und Fläche in Quadratzentimetern cm² gemessen) ist die Oberflächenspannung (gemessen in Erg/cm²).

Wie sieht es dann mit der Form der Wasseroberfläche aus,
wenn das Wasser in einem Behälter steht?

Mit Wasser gefüllte Holzschale,auf dem Wasser schwimmern gelbe Blüten

Nun, in diesem Fall muss auch die Gravitationsenergie berücksichtigt werden, und diese wird minimiert,wenn die Wasseroberfläche flach und so nah wie möglich an der Erde ist, außer an der Grenze zur Oberfläche des darüber liegenden Behälters wo auch die Grenzflächenspannung eine Rolle spielt.

Wenn ein Regenwassertropfen fällt,
verformt sich die Kugelform ein wenig aufgrund der Beschleunigung und auch, weil der Luftdruck beim Fallen anders ist als im statischen Fall.

Und wie wäre es mit einem Wassertropfen auf einer festen Oberfläche?

In diesem Fall berührt der Boden des Tropfens den Festkörper und ist eben.
Der Kontaktwinkel hängt nicht nur von der Oberflächenspannung des Wassers ab, sondern auch von der Grenzflächenspannung zum Festkörper, die ein Maß für die Adhäsionskraft (Anhangskraft oder Klebekraft) zwischen Wasser und Festkörper ist, sowie von der Festkörper-Luft-Grenzflächenspannung.
Ist der Festkörper hydrophob (wassermeidend ), so beträgt der Winkel weniger als 90°, je kleiner der Winkel, desto hydrophober die Oberfläche.
Wenn es hydrophil (wasserliebend) ist, dann ist es größer als 90° und Wasser benetzt die Oberfläche. Dies hängt hauptsächlich von der Wasser-Feststoff-Grenzflächenspannung ab.
Je hydrophiler der Feststoff, desto größer die Grenzflächenspannung.

Und nicht zuletzt die Tatsache, dass die Oberflächenspannung von Wasser unter allen Flüssigkeiten sehr groß ist,
gleich nach der von Quecksilber.
Diese hohe Oberflächenspannung begünstigt die Tropfenbildung.