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Die Physik der Kieselsteine : Am Strand mit Aristoteles

16 Elliptische Kiesel aus Kalzit, Basalt, Sandstein und Backstein samt Seegetier auf dem schwarzem Sandstrand von Lanzarote. Bild: Foto: Klaus Winzer

Warum Kieselsteine rund sind, weiß jedes Kind. Doch der Grund für die Form ihrer Rundungen beschäftigt Physiker bis heute.

          7 Min.

          Kieselsteine sind mitunter sehr philosophische Objekte. Wer bei einem Strandspaziergang zusieht, wie die Brandung mit ihnen spielt, sinnt vielleicht bald der Vergänglichkeit alles Seienden nach oder der Frage nach dem Sein von Gewordenem. Wem das zu tiefgründig ist für einen Urlaubstag am Meer, der kann über Kiesel auch physikalisch grübeln: wie lange es wohl her ist, dass der Basaltbrocken ins Meer fiel, aus dem dieser dunkle Kiesel dort entstand? Oder jener helle, vielleicht einst ein Marmorsplitter? Und dann sind da noch welche aus Ziegelstein, menschengemachte Fragmente in den Mühlen der Natur, wie man sie an der Nordseeküste findet. Stammen sie vielleicht von Häusern, die das Meer in der „Groten Mandränke“ im Januar 1362 verschlang, der verheerendsten Sturmflut in Nordfriesland seit Menschengedenken?

          Ulf von Rauchhaupt
          Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Zunächst wäre aber vielleicht zu klären, wie Kieselsteine eigentlich entstehen. Klar, weiß doch jeder: durch Reibung aneinander oder an dem Sandboden, über den die Wellen sie hin und her spülen. Doch warum dabei genau die gerundeten Formen herauskommen, die man an Stränden und in Flussbetten findet, ist offenbar keine allzu triviale Frage, sonst hätte man sie sich nicht seit dem Altertum immer wieder gestellt. In den Schriften, die unter dem Namen des griechischen Philosophen Aristoteles (384 bis 322 v. Chr.) überliefert sind, findet sich eine Abhandlung namens „Mechanika“. Dort werden 35 verschiedene mechanische Probleme behandelt, und das mit der Nummer 15 lautet: „Warum sind die sogenannten Kiesel an den Stränden rund, wo sie doch ur­sprüng­lich lange Steine und Muschelschalen waren?“ Die Frage wird dahin gehend beantwortet, dass bei der (Dreh-)­Bewegung eines solchen Steins die Bereiche seiner Oberfläche, die am weitesten von seinem Zen­trum entfernt sind, sich am schnellsten bewegen und daher beim Aufprall mit der Umgebung am härtesten getroffen werden. „Somit wird notwendig immer das zertrümmert, was am weitesten vom Zentrum entfernt ist. Und was derlei erleidet, wird notwendig sphärisch.“

          Kiesel sind keine Kugeln ...

          Das klingt einleuchtend. Es stimmt nur nicht, was neben anderem nahelegt, dass es sich bei dem Autor nicht um den großen Aristoteles selbst handelt, und tatsächlich ordnet die moderne Altphilologie die „Mechanika“ nicht dem berühmten Denker zu, sondern einem nicht näher bekannten Mitglied des Peripatos, seiner Philosophenschule. Dem Meister selbst, dem bedeutendsten Naturforscher der Antike, der großen Wert auf Beobachtung legte, bevor er mit dem Theoretisieren anfing, wäre eines nicht entgangen: So gut wie kein Kieselstein, den man an einem Strand findet, ist sphärisch, also kugelförmig.

          Vielmehr sind Kieselsteine oft sogenannte Ellipsoide: zwar allseits rund und von hoher Symmetrie, aber mit drei verschieden langen Achsen. Also scheint der Abschleifprozess auch nach beliebig langer Zeit - solange nur die Steine nicht vollständig zermahlen sind - zu so einer nichtsphärischen „Gleichgewichtsform“ zu führen. So drückte es der britische Geologe Alan Carr aus, der in den 1960er Jahren Tausende Kieselsteine der Chesil Beach vermaß, einer berühmten Kieselküste in Dorset im Südwesten Englands, und seine Ergebnisse 1969 im Journal of Sedimentary Petrology veröffentlichte. Diese Beobachtung wurde seither mehrfach gemacht, nicht nur anhand natürlicher Kiesel, sondern auch bei Produkten, allerdings recht artifizieller Laborexperimente, wie sie etwa der Physiker Douglas Durian von der University of Pennsylvania und seine Mitarbeiter 2006 in den Physical Review Letters publizierten. Die Forscher ließen einzelne flache quadratische Lehmziegel in einer schräg rotierenden Pfanne mit senkrechten Wänden tanzen. Die wurden dabei immer runder, aber nie zu wirklichen Kreisscheiben. Vielmehr stellten sich Formen ein, deren Krümmung an den verschiedenen Punkten ihrer Umfangslinie sich etwa nach einer Gaußschen Glockenkurve verteilten.

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