von Rolf H. Latusseck

Die Kaffeedose ist leer, und so geht der nächste morgend-liche Griff zu einem neuen Paket gemahlenen, vakuumverpackten Kaffees. Hart wie ein Ziegelstein ist das Päckchen, doch ein Schnitt mit der Schere lässt den Inhalt butterweich werden. Beim Umfüllen in die Vorratsdose fließt das Kaffeepulver sogar wie Wasser, es nimmt die Eigenschaft einer Flüssigkeit an. Klar: Im Vakuumpaket presst der äußere Luftdruck die einzelnen Pulverkörner zusammen, und beim Ausschütten gewinnt die Schwerkraft schließlich die Oberhand und lässt das Pulver in die Dose rieseln. Doch das sind nur oberflächliche Erklärungen. Kein Physiker kann exakt sagen, wie hart ein beliebiges Pulver unter Vakuumeinfluss wird, das heißt, wie fest die einzelnen Partikel zusammenhalten. Oder unter welchem Neigungswinkel das Pulver aus der Packung zu fließen beginnt.

Sanddünen, Schnee- und Schlammlawinen verhalten sich genauso wie das Kaffeepulver, und hier bekommt das Problem eine lebenswichtige praktische Bedeutung. Wann wird ein Schneehang zur Lawine oder der Boden nach Regenfällen so instabil, dass er als Erdrutsch ein Dorf unter sich begräbt? Die teuflischen Details, an denen eine Erklärung immer noch scheitert, stecken in den Kräften, die jedes einzelne Pulverkorn, Sandkorn und jeder Eiskristall auf seine Nachbarn ausübt. Durch ihre rauen und unregelmäßigen Oberflächen halten sich die Teilchen zunächst aneinander fest und bleiben in Ruhe. Geraten sie aber ins Rutschen, dann beginnen sie zu rotieren und beeinflussen sich in derart komplizierter Weise gegenseitig, dass eine Voraussage über den exakten Verlauf und das Ergebnis des Rutschens unmöglich wird.

Einen ersten Ansatz zur Lösung des vertrackten Problems hat jetzt Dietrich Wolf von der Universität Duisburg gefunden. Den Anstoß dazu gab eine alte Sportart. Beim Curling (oder Eisschießen) werden schwere, als Stein bezeichnete Gewichte möglichst weit und präzise übers Eis gestoßen. Während nun der Stein über das Eis gleitet, dreht er sich gleichzeitig um seine eigene Achse; kommt er zur Ruhe, dann enden Vorwärtsbewegung und Rotation gleichzeitig.

Das Geheimnis dieser Gleichzeitigkeit steckt in der untrennbaren Verknüpfung von drei Komponenten: der Drehbewegung, der Vorwärtsbewegung und der Reibung. Gleitet ein Curling-Stein mit hoher Geschwindigkeit über das Eis und dreht sich dabei nur sehr langsam um sich selbst, dann sollte man erwarten, dass seine Drehbewegung endet, während er sich noch vorwärts bewegt. Umgekehrt sollte er auf der Stelle kreisen, wenn er nur sehr langsam, aber mit hoher Rotation gestartet ist. Doch hier irrt der "gesunde Menschenverstand". Bei jedem Experiment enden Vorwärtsbewegung und Drehbewegung gleichzeitig - unabhängig davon, wie schnell oder wie langsam jede Bewegung anfänglich war. Denn zwischen beiden existiert eine Rückkoppelung: Die Rotation verringert die Reibung der Vorwärtsbewegung, und die Vorwärtsbewegung wiederum verringert die Reibung der Drehbewegung; deshalb müssen beide Bewegungen gleichzeitig enden. Das heißt aber auch: Solange der Stein sich dreht, kann er viel leichter gleiten und umgekehrt. Ein weiterer Versuch bestätigt das. Wird ein Stein völlig ohne Drehung über das Eis gestoßen, dann legt er eine kürzere Strecke zurück als mit Eigendrehung.

Was beim Curling die Berührungsfläche zwischen Stein und Eis ist, das ist beim Kaffeepulver der Kontakt eines Pulverkörnchens zu seinen vier, sieben oder zwölf Nachbarkörnchen. Gerät das Teilchen in Bewegung, dann wird es schlagartig für alle Nachbarn leichter, sich ebenfalls zu bewegen. Der Prozess setzt sich lawinenartig fort und erhält eine nicht mehr kontrollierbare Eigendynamik. Deshalb genügt im Extremfall ein wenige Gramm schwerer Schneeball, um an einem Hang tausende von Tonnen Schnee in Bewegung zu setzen. Ein umstürzender Baum kann einen kompletten, regendurchnässten Berghang in Abwärtsbewegung bringen. Die von Professor Wolf aufgeklärten Rückkoppelungen zwischen den einzelnen Teilchen bieten jetzt erstmals einen Ansatz zur theoretischen Beschreibung des Lawinenproblems und damit die Möglichkeit einer verbesserten Katastrophenvorhersage.

Welt am Sonntag, 22.06.03