Tropfenform

Tropfenform bezeichnet die geometrische Gestalt eines flüssigen Tropfens. Ruhende Tropfen erreichen eine Form, die durch das Gleichgewicht von Oberflächenspannung, Gravitation und den Wechselwirkungen mit der umgebenden Oberfläche oder dem Medium bestimmt wird. Tropfenformen treten in der Natur und Technik auf, etwa bei Tintenstrahldruck, in Emulsionen, Aerosolen oder Beschichtungsprozessen.

Physikalisch lässt sich die Tropfenform mit der Young–Laplace-Gleichung beschreiben, die den Druckunterschied über die Grenzfläche mit der Krümmung der Oberfläche verknüpft. Zentrale Größen sind die Oberflächenspannung, die Dichte des Tropfens gegenüber dem Umgebungsmedium, der Tropfenumfang sowie der Kontaktwinkel und die Oberflächenbeschaffenheit. Der Bondzahl Bo (Bo = Δρ g L^2/σ) entscheidet maßgeblich, ob der Tropfen kugelförmig bleibt (kleine Bo) oder durch Gravitation abgeflacht wird (größere Bo).

Unterschieden wird zwischen sessilen Tropfen auf einer Unterlage und hängenden Tropfen, die von einer Düse herabhängen. Die Form hängt stark vom Kontaktwinkel ab: bei guter Benetzung ist der Tropfen flacher, bei geringerer Benetzung eher kugelförmig. Rauheit, chemische Heterogenität der Oberfläche und Umgebungsbedingungen (Druck, Luftströmung) können das Profil weiter beeinflussen. Dynamische Tropfenformen ändern sich rasch unter Bewegung oder Strömung.

Anwendungen reichen von Beschichtungs- und Druckprozessen bis zur Mikrofluidik, wo Tropfen präzise erzeugt, platziert oder getrennt werden. Die Tropfenform wird experimentell durch Mikroskopie, Profilometrie oder Hochgeschwindigkeitsfotografie erfasst und durch numerische Modelle vorhergesagt. Zentrale Kennwerte sind die Kapillarlänge lc = sqrt(σ/(ρ g)) und das Verhältnis von Tropfenhöhe zu Basisdurchmesser.