Oberflächenbewegung

Oberflächenbewegung bezeichnet die Bewegung einer Grenzfläche zwischen Phasen, zum Beispiel einer Flüssigkeitsoberfläche relativ zu den umgebenden Medien oder die Verschiebung einer festen Oberflächenverformung unter Belastung. Sie umfasst die kinematische Bewegung der freien Oberfläche ebenso wie die durch Strömung verursachte Deformation der Oberfläche in Flüssigkeiten, Grenzflächen und Weicher Materie.

Auf der Grundlage der Navier–Stokes-Gleichungen und geeigneter Randbedingungen wird die Oberflächenbewegung durch die dynamische Randbedingung bestimmt: Der Druck- und Spannungsunterschied über die Oberfläche wird durch die Oberflächenspannung sowie durch Oberflächenspannungsgradienten (Marangoni-Effekt) beeinflusst. Die kinematische Randbedingung verlangt, dass Fluidteilchen keine normale Geschwindigkeit durch die Oberfläche tragen.

Typische Phänomene sind Kapillarfelder und Wellen auf Flüssigkeitsoberflächen, deren Dispersion durch Gravitation und Oberflächenspannung bestimmt wird. Kleine Wellen werden oft von Oberflächenspannung dominiert (Kapillare Wellen), größere von der Gravitation. Oberflächenspannungsgradienten können Tangentialströme auslösen (Marangoni-Strömung), z. B. durch Temperatur- oder Konzentrationsunterschiede.

Das Spreading von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen, die Bewegung der Kontaktlinie und die Dynamik dünner Filme sind zentrale Aspekte der Oberflächenbewegung und finden Anwendung in Beschichtungs-, Druck- und Mikrofluidikprozessen.

Experimentell nutzt man Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, PIV (Particle Image Velocimetry) und Interferometrieverfahren, um Oberflächenbewegungen zu vermessen und zu analysieren.