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Strömungsmechanik: Feindliche Übernahme

Manchmal verhält sich die Welt doch flacher, als sie in Wirklichkeit ist - zum Beispiel bei Wirbeln.
WirbelLaden...
Es ist fast wie in der Wirtschaft: Die Großen schlucken die Kleinen. Von einem partnerschaftlichen Zusammengehen kann keine Rede sein. Was für Daimler und Chrysler oder für Vodafon und Mannesmann gilt, findet in der Natur seine Entsprechung. Dabei ist hier weniger das Verhalten von Raubtieren gemeint, die sich meist ja doch nur an Alte, Kleine und Schwache heranwagen. Nein! Das gleiche gilt für die unbelebte Natur.

Für Wasserwirbel zum Beispiel. Gregory Eyink, Physiker an der amerikanischen Johns-Hopkins-Universität in Baltimore hat nun zusammen mit seinem Forscherteam in einem Experiment herausgefunden, dass große Wirbel Vampiren gleich kleineren die Energie entziehen und sie schlussendlich aufsaugen.

Das dem so sei, vermutete Robert Kraichnan – ebenfalls von der Johns-Hopkins-Universität – bereits in den 1970er Jahren, als er Berechnungen zur Dynamik von Strudeln anstellte. Doch galten seine Überlegungen ausschließlich in zwei Dimensionen. Bekanntlich ist unsere Welt aber (mindestens) dreidimensional. Und für drei Raumdimensionen konnten Mathematiker zeigen, dass die Energie eigentlich von den größeren Objekten zu den kleineren fließen müsste.

Da die Ergebnisse von Berechnungen der Dynamik von derart turbulenten Strömungen aber oft äußerst empfindlich von winzigsten Änderungen der Randbedingungen abhängen und sich hoch chaotisch verhalten, musste ein Experiment her – Mathematik hin, Mathematik her. Nur der reale Versuch beweist die richtige Anwendung der Formeln.

Daher konstruierten Eyink und sein Team ein flaches Bassin von ein mal ein Metern Breite, das sie mit elektrisch leitfähigem Salzwasser füllten und auf Magnete betteten. Dann schickten sie einen elektrischen Strom durch die Lösung. An den zahlreichen Stellen, an denen das elektrische Feld die Feldlinien der Magnete kreuzte, entstanden Verwirbelungen. Dabei beobachteten die Experimentatoren, dass die großen Strudel nach und nach die kleinen verschluckten. Kraichnan hatte also Recht – obwohl der zu beobachtende Effekt etwas schwächer war als von ihm vorhergesagt.

Die Experimentatoren schlugen daher eine eigene Erklärung vor, die sie mit Hilfe von Computersimulationen untermauerten. Demnach deformieren die großen Wirbel die kleineren, normalerweise kreisrunden Minitornados, was dazu führt, dass die ganz außen herumschwirrenden Wassermoleküle langsamer werden. Infolgedessen verliert der schwächere Wassertrichter an Energie, die sich das große Pendant einverleibt.

Diese Erkenntnisse sind nach Ansicht von Philip Marcus äußerst hilfreich für die Erstellung von Modellen zur Vorhersage von Unwettern. Der amerikanische Physiker von der Universität von Kalifornien in Berkeley beschäftigt sich intensiv mit Computersimulationen. Auch wenn Wetterfronten oder gar Hurrikans prinzipiell dreidimensional sind, so die Wissenschaftler unisono, verglichen mit ihrer Ausdehnung ist ihre Höhe meist vernachlässigbar. Daher führt die Mathematik der Ebenen offensichtlich zu besseren Vorhersagen.
04.03.2006

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 04.03.2006

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