Strömungstafel - auf dem Weg vom Wirbel zur Turbulenz

„Wer sich gegen fließendes Wasser stemmt, weil er Standpunkte hat, verursacht viel Wirbel.“
Joachim Kardinal Meissner

Als Wirbel bezeichnet man in der Strömungslehre Kreisströmungen eines Fluids. Sie entstehen z.B. wenn Wasser aus einem Becken in ein Abflussrohr strömt oder wenn ein Körper einer laminaren Strömung Reibungswiderstand leistet.
Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, umso mehr Wirbel treten auf - der Strömungswiderstand steigt dadurch an. Dieses Szenario ist der Übergang zur Turbulenz. Bei voll ausgebildeter Turbulenz treten Wirbel in allen Größenskalen auf.

In der Natur spielen Wirbelströme beim Wetter eine große Rolle; die Strömungen der Luft von einem Hochdruck- zu einem Tiefdruckgebiet sind immer wirbelförmig und niemals direkt. Auch für das Fliegen von Flugzeugen sind sie wesentlich.

Strömungstafel in der Ausstellung

Die Strömungstafel ist gefüllt mit einer Flüssigkeit, die Aluminiumpulvr enthält. Kippt man nun die tafel hin und her, so entstehen an den eingeklebten Hindernissen bei der Strömung der Flüssigkeit von der einen zur anderen Seite Störungen in Form von Wirbeln und Turbulenzen. Eines der Hindernisse hat die Form eines Flügels und man kann sich leicht vorstellen, wie sich Wirbel beim Starten eines Flugzeugs bilden,so dass es überhaupt fliegen kann.

Tornado - oder doch ein Hurrikan?

„One of the things about a tornado, it comes so quickly you don't have time to get in panic. If you do, you're probably not in one.“ Mike Huckabee

Der grundlegende Unterschied zwischen einem Tornado und einem Hurrikan ist der Entstehungsort. Ein Tornado existiert nur auf dem Festland. Ein Hurrikan bildet sich über dem warmen tropischen Atlantik, der eine Wassertemperatur von mindestens 27°C aufweist. Durch die heiße Sonne verdampft das Wasser, das als feuchte Luft aufsteigt und immer dichtere Wolken bildet. Durch die Erddrehung entstehen Wirbel, so dass sich die Luft spiralförmig nach oben schraubt. Im Inneren des Hurrikans, dem Auge, ist es nahezu windstill, der Luftdruck ist dort extrem niedrig. Als Taifun bezeichnet man die gleiche Art Wirbelstürme, nur dass sie über dem Pazifik entstehen.

Ein Tornado entsteht vorwiegend in den Monaten Juni bis Oktober in Nordamerika. Tornados sind mit einem Durchmesser von 50 - 500 m eher klein, dennoch können die Windgeschwindigkeiten bis zu 400 km/h betragen. Bilden sich große Gewitterwolken über eine Schicht aufgeheizter Luft, stürzt Kaltluft aus mehreren Kilometern Höhe herab und es bildet sich eine Warmluftsäule in Form eines Rüssels. Dort, wo dieser Rüssel auf die Erde trifft, fällt innerhalb von wenigen Minuten der Luftdruck so stark ab, dass Häuser regelrecht explodieren. Er hinterlässt eine Schneise der Verwüstung. Wenige Meter daneben wird nichts auf den Tornado hinweisen - wie auf dem Bild gut zu erkennen ist (Quelle: NASA).
Der Drehsinn von Tornados ist auf der Nordhalbkugel überwiegend entgegen dem Uhrzeigersinn, was aber nicht durch die Coriolis-Kraft bestimmt ist. Diese bestimmt vielmehr zusammen mit der Bodenreibung das großräumige Windprofil von Tiefdruckgebieten, in deren Bereich Tornados entstehen können. Auf der Südhalbkugel ergibt sich die Drehung mit dem Uhrzeigersinn.
Kennzeichen für einen Tornado ist, dass der Wirbel sich immer durchgehend vom Boden bis zur Wolkendecke erstreckt. Gerade im Anfangsstadium ist ein Tornado jedoch beinahe unsichtbar. Erst, wenn im Inneren des Wirbels durch den Druckabfall und der damit einhergehenden adiabatischen Abkühlung Wasserdampf kondensiert, tritt der Tornado optisch in Erscheinung.

Der Tornado in der Ausstellung

Das hier ausgestellte Tornao-Exponat gibt es nur noch zwei Mal in Deutschland: im Universum in Bremen und im Phaeno in Wolfsburg. Anders als dort ist unser Tornado jedoch selbst in den eigenen Werkstätten gebaut worden. Über einen Ultraschallverdampfer wird in einem Wasserbad Wasserdampf erzeugt, der über einen Ventilator nach oben gesogen wird. Als einzigartige Zusatzfunktion können wir die Drehzahl des Rotors verändern, so dass eindrucksvoll der Existenzbereich eines Tornados gezeigt werden kann.