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Turbulenzen: Wirbel aus der Strahlenkanone

Wenn Flüssigkeiten schnell fließen, entstehen Turbulenzen. Physiker haben das Phänomen nun in beeindruckendem Detail beobachtet.
3D-Rekonstruktion einer turbulenten FlüssigkeitLaden...

Turbulenzen können überall dort auftreten, wo sich Flüssigkeiten oder Gase sehr schnell bewegen. Selbst kleine Störungen rufen in diesem Fall Verwirbelungen hervor, die chaotisch ausfranzen. Forscher rätseln nach wie vor über die genauen Mechanismen hinter dem Phänomen. Unter anderem ist unklar, wie turbulente Strömungen Energie von großen zu kleinen Größenordnungen transportieren.

Ein Team um Shmuel M. Rubinstein von der Harvard University will der Lösung nun ein Stück näher gekommen sein. In einem Aquarium haben die Forscher zwei eingefärbte Wirbel mit zwei Spezialkanonen aufeinander gefeuert und anschließend mit Hilfe von Lasermessungen ein 3-D-Modell der Abläufe erstellt. Demnach wurden Wirbel beim Zusammentreffen zunächst plattgedrückt, wie die Forscher in »Science Advances« berichten. Anschließend breiteten sie sich parallel zueinander in der Kollisionsebene aus und vermischten sich dabei nach kurzer Zeit turbulent.

Rubinstein und seine Kollegen interessierten sich in ihrer Studie am meisten für die Mikrosekunden vor dem turbulenten Vermengen. Hier bildeten sich für kurze Zeit rotierende Filamente zwischen den Ebenen, die wie Miniaturversionen der Ausgangswirbel aussehen. Bei genauerem Hinsehen wiederholte sich dieser Prozess noch ein weiteres Mal auf einer noch kleineren Skala, schreiben die Forscher. Das bestätige eine Theorie über Turbulenzen, der zufolge sich »selbstähnliche« Wirbel auf immer kleineren Größenordnungen reproduzieren, ehe die gesamte Energie der Strömung aufgebraucht ist.

10/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10/2020

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