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Fluiddynamik: Windschatten bedeutet nicht zwingend weniger Luftwiderstand

Bewegen sich mehrere verformbare Objekte hintereinander durch ein Fluid – etwa Luft oder Wasser –, so erfährt das vorauseilende einen deutlich geringeren Widerstand. Zu diesem Ergebnis kamen Forscher, nachdem sie das Verhalten von wehenden Fahnen analysiert hatten. Womöglich lässt sich ihre Forschung aber auch auf Schwärme von Fischen oder Vögeln anwenden.

Rennfahrer und Radprofis verringern den Luftwiderstand, indem sie dicht hinter ihrem Vordermann fahren. Diese Taktik funktioniert allerdings nur bei starren Körpern, wie Leif Ristroph von der Cornell University in Ithaca, New York, und Jun Zhang von der New York University berichten. In ihrem Versuch simulierten die Forscher eine im Wind wehende Fahne mit Hilfe von biegsamen Fäden, die sie an einem Draht fixiert in einen fließenden Seifenfilm tauchten.

Unter verschiedenen Fließbedingungen berechneten Zhang und Ristroph zunächst den Widerstand sowie Amplitude und Frequenz einer einzelnen flatternden Fahne. Dann brachten sie eine weitere Flagge in die Strömung ein und variierten den Abstand zur ersten. Dabei stellten sie fest, dass die Frontfahne bis zu 50 Prozent weniger Luftwiderstand erfährt, als wenn sie allein stehen würde. Die nachfolgende Fahne wies hingegen einen deutlich erhöhten Winddruck auf.

Die hintere Flagge bremst die seitliche Bewegung der entgegenkommenden Strömung lokal aus, was sich auch auf das Ende der vorderen Fahne auswirkt, erklären die Forscher ihre Beobachtungen. Dies führe indirekt dazu, dass das Flattern der vorderen Fahne verringert wird, womit sie ein kleineres Volumen einnimmt als im isolierten Zustand und so einen geringeren Luftwiderstand besitzt. Im Gegensatz dazu weht die nachfolgende Fahne im oszillierenden Windschatten der ersten, was auf Grund von Resonanzeffekten zu einer größeren Flatteramplitude führt. Mehr Volumen bedeutet aber auch einen gesteigerten Luftwiderstand.

Dieses Verhalten tritt bei starren Körpern nicht auf, da diese nicht durch Verformen auf das veränderte Strömungsfeld der Nachbarn reagieren können. Stattdessen verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit im Windschatten eines führenden Objekts, was ein Vorankommen hier energiesparender macht. (mp)

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  • Quellen
Ristroph, L., Zhang, J.: Anomalous Hydrodynamic Drafting of Interacting Flapping Flags Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope. In: Physical Review Letters 101, 194502, 2008.

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