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Hydrodynamik: Zeitweise turbulent

Techniker mögen sie gar nicht: Turbulenzen. Erhöhen doch diese Verwirbelungen lästigerweise den Reibungswiderstand und machen fließende Systeme unberechenbar. Doch der wilde Fluss kann auch wieder in ruhigere Bahnen gelenkt werden.
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Walle! walle
manche Strecke,
daß, zum Zwecke,
Wasser fließe
und mit reichem, vollem Schwalle
zu dem Bade sich ergieße ...



Diese Zeilen von Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) aus dem Gedicht über einen Zauberlehrling, dem die Gewalt über seine herbeigezauberten Helferlein entgleitet, mussten wohl viele Schülerinnen und Schüler auf der Penne auswendig lernen. Manchen Ingenieuren und Naturwissenschaftlern, die sich mit der Dynamik von Flüssigkeiten beschäftigen, mögen diese Sätze in den Sinn kommen, wenn die von ihnen untersuchten Lösungen, Laugen oder Brühen anfangen, wild zu werden und unberechenbare Wirbel und Strudel bilden. Fakt ist: Ab einer gewissen Fließgeschwindigkeit fängt eine Strömung an, turbulent zu werden, wenn sie sich durch eine Enge zwängen muss.

An Wassern in der Natur kann man das besonders gut beobachten. Ein sanftes Bächlein in einem ebenen Bett strömt oft ruhig dahin. Die Geschwindigkeit der einzelnen Wassermoleküle nimmt vom Rand zur Mitte hin relativ gleichmäßig zu, was sich gut mit kleinen, in das Rinnsal geworfene Stöckchen oder Blätter nachweisen lässt. Doch folgen wir dem Flusslauf ein Stückchen des Wegs, drängen sich alsbald größere Wassermassen, die dem Bächlein von allen Seiten zuströmen, durch ein verhältnismäßig kleines Bett. Es wird eng für die einzelnen Tröpfchen, und wie Kaufwütige bei der Eröffnung eines Ladens drängen sie voran, schupsen sich gegenseitig zur Seite und zwängen sich durch die kleinste Lücke. Das Wasser wird unruhig, es spritzt eine Gischt, Wirbel und Strudel zeigen sich.

Naturwissenschaftler nennen dieses Strömungsverhalten turbulent. Da lässt sich nichts mehr genau vorhersagen oder berechnen. Stöckchen oder Blätter vollführen einen wilden Tanz auf den Wogen, sie bewegen sich mal vor, dann wieder zurück, tauchen mal unter und dann wieder auf – das reinste Chaos. Der Fluss beruhigt sich erst wieder, wenn er ein breiteres Bett vor sich hat.

Forscher haben bislang angenommen, dass sich eine Strömung in einem Rohr mit vorgegebener Geometrie oder in einem Schlauch, nicht wieder beruhigt, nachdem die Flüssigkeit einmal angefangen hat, ungestüm zu werden: Einmal turbulent, immer turbulent, lautete die Lehrmeinung.

Versuche eines Experimentatorenteams um Björn Hof von der britischen Universität Manchester sprechen nun aber eine andere Sprache. Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich Turbulenzen wieder legen können – wenn manchmal auch erst nach verhältnismäßig langer Zeit. So berechnete der Amerikaner Daniel Perry Lathrop von der Universität von Maryland, der die Arbeit der Forschergruppe um Hof begutachtete, dass es 103000 Jahre bräuchte, bis sich etwa eine turbulente Strömung in einem stinknormalem Abwasserkanal mit einem Durchmesser von rund 60 Zentimetern wieder beruhigt hätte. Die Lebensdauer des Universums, die auf gut 1010 Jahre taxiert wird, hätte dafür bei weitem nicht ausgereicht.

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Turbulenzen | Mit der Zeit glätten sich die Wogen: Ein experimentell gemessenes, turbulentes Strömungsfeld in einer Röhre
Die Arbeitsgruppe um Hof begnügte sich bei ihren Versuchen mit einem dreißig Meter langen Rohr mit einem Durchmesser von nur vier Millimetern. Sie stellten fest, dass die Strömung in dem Rohr bis zu einer Reynolds-Zahl von über 2750 laminar blieb. Die dimensionslose Reynolds-Zahl hängt von der Strömungsgeschwindigkeit, der Länge der Rohrleitung sowie von der Viskosität – der Zähigkeit – der Flüssigkeit ab und charakterisiert den Übergang zur turbulenten Bewegung. Den gleichmäßigen Fluss des Wassers störten die Experimentatoren gezielt, indem sie senkrecht zur Strömungsrichtung kurzzeitig einen Wasserstrahl durch eins von zwanzig etwa 0,6 Millimeter durchmessenden Löchern einspritzten.

An der Art, wie das Wasser die lange Röhre verließ, konnten die Wissenschaftler nun erkennen, ob sich die turbulente Störung durch die ganze Röhre hindurch zwängte oder sich vorher wieder beruhigte. So stellten sie fest, dass die Turbulenzen offensichtlich in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl nur eine gewisse Lebensdauer haben und ähnlich wie bei einem radioaktiven Zerfall nach einem exponenziellen Gesetz wieder verschwinden.

Diese Erkenntnisse sind sehr interessant, weil das Phänomen der Verwirbelung sich durch die gesamten Naturerscheinungen zieht: angefangen vom Wasserkreislauf, der Wolkenbildung über die Aerodynamik an Flügeln von Düsenjets bis hin zur Entstehung von Sonnensystemen oder Galaxien.

Lathrop meint zwar, die Ergebnisse müssten erst einmal noch von anderen Forschergruppen bestätigt werden. Falls es aber stimmt, dass Turbulenzen sich wieder beruhigen können, dann ließen sich eventuell Einrichtungen oder Gerätschaften ersinnen, die diesen Vorgang beschleunigen – was großen technischen Nutzen verspricht. Denn Verwirbelungen haben immer etwas mit Reibung und Widerständen zu tun. Gelingt es, diese zu verringern, locken beispielsweise Fahrzeuge, die mit weniger Treibstoff auskommen. Es wäre aber auch schon viel gewonnen, wenn man diese chaotischen Bewegungen künftig einfach besser einzuschätzen lernt.
07.09.2006

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 07.09.2006

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