Ob Sie mit dem Begriff „Magnus-Effekt“ vertraut sind oder nicht, Sie haben ihn sicherlich schon in Aktion gesehen. Dies geschieht, wenn ein sich drehender Ball – zum Beispiel beim Fußball, Cricket oder Baseball – von seiner erwarteten Flugbahn abweicht, oft zur Überraschung der gegnerischen Mannschaft. Das Prinzip findet auch in der Technik Anwendung, beispielsweise um bestimmte Schiffs- oder Flugzeugtypen mit einem „Flettner-Rotor“ anzutreiben.
Physiker haben nun nachgewiesen, dass der Magnus-Effekt auch auf mikroskopischer Ebene existiert, wo seine Auswirkungen unter bestimmten Bedingungen wirklich erheblich werden können. Ein Team der Universität Konstanz hat dies durch Experimente herausgefunden und ein Team der Universität Göttingen konnte die Wissenschaft dahinter erklären.
Diese Erkenntnisse könnten genutzt werden, um neue Mechanismen zur Bewegung und präzisen Steuerung mikroskopischer Partikel zu entwickeln. Eine weitere mögliche Anwendung könnten Miniroboter sein, die sich durch den Blutkreislauf bewegen und gezielt bestimmte Stellen im Körper ansteuern. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Naturphysik.
Der Magnus-Effekt kann normalerweise immer dann beobachtet werden, wenn sich ein rotierendes Objekt durch Luft oder eine Flüssigkeit bewegt. Durch die Rotation wird die Strömung im umgebenden Medium so verformt, dass auf den gegenüberliegenden Seiten des Objekts Geschwindigkeitsunterschiede auftreten. Dadurch entsteht eine Kraft, die das Objekt von seiner geraden Bewegungsbahn ablenkt. Der Effekt wird mit abnehmender Objektgröße immer kleiner. Bei Kugeln, die nur wenige tausendstel Millimeter Durchmesser haben, sollte es fast vollständig verschwinden.
Bei ihren Experimenten an der Universität Konstanz bemerkten die Forscher jedoch einen unerwartet großen Magnus-Effekt in Miniatur-Magnetglaskugeln, die mithilfe eines rotierenden Magnetfelds in Rotation versetzt und mit konstanter Geschwindigkeit durch eine viskoelastische Flüssigkeit bewegt wurden. Im Gegensatz zu Wasser vereinen viskoelastische Flüssigkeiten wie Blut oder Polymerlösungen sowohl flüssige als auch elastische Eigenschaften. Sie verhalten sich ähnlich wie Brotteig, der nach einem kurzen Stoß langsam wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt: Sie reagieren verzögert auf Veränderungen.
Dr. Debankur Das und Professor Matthias Krüger vom Institut für Theoretische Physik der Universität Göttingen haben ein Modell entwickelt, um zu zeigen, dass genau diese Verzögerung auf mikroskopischer Ebene für den Magnus-Effekt verantwortlich ist: Die umgebende viskoelastische Flüssigkeit folgt dem nicht rotierende Kugel sofort und wird dadurch verzerrt.
Die Verzerrung rotiert mit der Kugel und drückt sie zur Seite, sodass Rotation und Translation gekoppelt sind. Bemerkenswert ist die Verzögerung auch, wenn die Rotation abrupt stoppt: Anders als bei einem Sportball in der Luft verschwindet der Magnus-Effekt in Miniaturkugeln in viskoelastischen Flüssigkeiten nicht sofort, sondern hält einige Sekunden an.
Krüger erklärt: „Das war der Schlüssel zu unserem Verständnis, was wirklich vor sich geht. Unser Modell hat die Nachwirkung vorhergesagt. Als wir dies aus den experimentellen Daten ablesen konnten, war das Geheimnis des Magnus-Effekts auf mikroskopischer Ebene erklärt.“
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Xin Cao et al., Gedächtnisinduzierter Magnus-Effekt, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02213-1