Die zur Ordnung der Wanzen (Heteroptera) zählenden Wasserläufer huschen übers Wasser, indem sie mit ihren Beinen Hufeisenwirbel im Wasser erzeugen. Das haben John Bush und seine Kollegen vom MIT in Cambridge mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera herausgefunden. Das entdeckte Prinzip haben sie gleich mit der Konstruktion einer übers Wasser laufenden Robo-Wanze in die Praxis umgesetzt. Sie stellen ihre Arbeit im Fachmagazin Nature vor (Bd. 424, S. 663).
Für Wasserläufer, die etwa ein Zentimeter groß und ein Hundertstel Gramm schwer sind, ist es kein großes Problem, auf dem Wasser zu stehen. Dafür sorgt die Oberflächenspannung des Wassers, die durch die starken Bindungskräfte zwischen den Wassermolekülen erzeugt wird. Für die Tiere ist es ebenfalls kein Problem, sich auf dem Wasser fortzubewegen. Für Wissenschaftler war es bisher aber ein großes Problem, zu erklären, wie sie das tun.
Fortbewegung ist nur nach dem Rückstoßprinzip möglich. Das besagt das dritte Newton’sche Axiom. Ein Fußgänger drückt sich mit seinen Schritten an der Erde ab. Ein Flugzeug bewegt mit den Propellern Luft entgegen seiner Flugrichtung. Ein Fisch drückt mit seiner Schwanzflosse Wasser nach hinten.
Einige Wissenschaftler gingen bisher davon aus, dass die Wasserläufer sich dadurch einen Vorwärtsimpuls verschaffen, dass sie Kapillarwellen mit einem gleich großen Rückwärtsimpuls erzeugen. Für Kapillarwellen ist nicht wie bei den größeren Ozeanwellen die Schwerkraft verantwortlich, sondern die Oberflächenspannung des Wassers. Wasserläufer können solche Wellen erzeugen, wenn sie ihre Beine schneller als 25 Zentimeter pro Sekunde bewegen.
Diese Theorie hatte allerdings einen Schönheitsfehler. Während die schnelle Beinbewegung für erwachsene Wasserläufer kein Problem ist, können junge Tiere ihre Beine nicht so schnell bewegen. Aber auf dem Wasser laufen können sie trotzdem.
Mit Aufnahmen einer Hochgeschwindigkeitskamera konnten Bush und seine Kollegen zeigen, dass die Wasserläufer mit ihren Beinen hufeisenförmige Wirbel im Wasser erzeugen. Aus der Größe dieser Wirbel konnten sie abschätzen, dass sie genügend Rückwärtsimpuls besitzen, um die Vorwärtsbewegung der Tiere zu bewirken. Der Impulsbeitrag der Kapillarwellen ist dagegen zu klein, um die Fortbewegung der Wasserläufer allein zu verursachen.
Mit diesem Wissen konstruierten die Wissenschaftler eine neun Zentimeter große und ein Drittel Gramm schwere Robo-Wanze, die sie erfolgreich übers Wasser laufen ließen.
Bilder der Wasserläufer, der Robo-Wanze und der Hufeisenwirbel finden Sie hier.
Axel Tillemans
