Strömende Flüssigkeiten und Gase

Wie schnell oder wie langsam sich ein strömendes Gas oder eine Flüssigkeit gegenüber einem Körper bewegt, wird durch die Strömungsgeschwindigkeit beschrieben.

Sie ist eine Relativgeschwindigkeit, d. h. es ist egal, ob sich das Gas oder die Flüssigkeit bewegt (z. B. in Rohrleitungen) oder ob sich ein Körper (Auto, Schiff, Flugzeug) gegenüber einem Gas oder einer Flüssigkeit bewegt.

Stromlinienbilder

Strömungen werden mithilfe von Stromlinienbildern dargestellt.
Ein Stromlinienbild ist ein Modell. Für das Stromlinienbild als Modell einer Strömung gilt:

• Eine Stromlinie beschreibt die Bahn eines Flüssigkeits- oder Gasteilchens.
• Je dichter die Stromlinien in einem Bereich liegen, desto größer ist die dort vorhandene Strömungsgeschwindigkeit.

Arten von Strömungen

Stromlinienbilder zeigen, wie Körper umströmt werden. Dabei kann man zwei Arten von Strömungen unterscheiden.
Bei einer glatten oder laminaren Strömung bilden sich hinter dem umströmten Körper keine Wirbel aus. Solche glatten Strömungen treten nur bei stromlinienförmigen Körpern und kleinen Strömungsgeschwindigkeiten auf.

Bei einer verwirbelten oder turbulenten Strömung bilden sich hinter dem Körper Wirbel aus. Durch eine solche Wirbelbildung vergrößert sich der Strömungswiderstand erheblich. Er ist umso größer, je stärker die Wirbelbildung ist. Solche verwirbelten Strömungen treten in der Praxis bei den meisten Körpern auf.

Der Strömungswiderstand

Wird ein Körper von einer Flüssigkeit oder einem Gas umströmt, dann wird die Bewegung des Körpers gehemmt. Das ist z. B. der Fall, wenn sich ein Auto oder ein Vogel gegenüber Luft bewegen. Ähnlich ist das bei einem Fisch im Wasser oder bei einem Radfahrer, insbesondere wenn er gegen den Wind fährt. Der jeweilige Stoff (z. B. Luft oder Wasser) und der sich bewegende Körper wirken aufeinander ein. Diese Wechselwirkung führt zu einer Kraft, die die Bewegung hemmt. Man nennt diesen bewegungshemmenden Widerstand Strömungswiderstand, im Falle von Luft auch Luftwiderstand. Der Strömungswiderstand entsteht vor allem durch eine Wirbelbildung hinter umströmten Körpern, also dann, wenn die Strömung um den Körper verwirbelt ist. Hinweise zu dieser Art der Strömung sind unter dem Thema „Strömende Flüssigkeiten und Gase“ zu finden. Die Kraft, die die Bewegung des Körpers hemmt, heißt Strömungswiderstandskraft.
Faktoren, die den Strömungswiderstand beeinflussen
Bei Körpern, die eine Stromlinienform besitzen oder die sich sehr langsam in einer Strömung bewegen, treten kaum Wirbel auf. Der Strömungswiderstand ist in diesem Fall gering. Der Strömungswiderstand eines Körpers ist umso größer,

• je größer die Querschnittsfläche des Körpers ist,
• je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen Körper und umgebendem Stoff ist und
• je größer die Dichte des Stoffes ist.

Er ist auch abhängig von der Form und von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Eckige Formen und raue Oberflächen vergrößern in der Regel den Strömungswiderstand. Setzt man den Strömungswiderstand bei einem stromlinig geformten Körper mit 1 an, so ist z. B. der Strömungswiderstand bei einer Kugel mit gleicher Querschnittsfläche, gleicher Oberflächenbeschaffenheit und gleicher Strömungsgeschwindigkeit 8-mal so groß.

Berechnung des Strömungswiderstandes

Wir betrachten als Beispiel die Berechnung des Luftwiderstandes. Den Betrag der Strömungswiderstandskraft (man spricht im Falle von Luft von Luftwiderstandskraft oder häufig auch einfach vom Luftwiderstand) kann mit folgender Gleichung berechnet werden:

$\begin{array}{l}{F}_W=\frac{1}{2}{c}_W\cdot A\cdot \rho \cdot v^2\\ c_W\text{Luftwiderstandszahl}\\ A\text{umströmte Querschnittsfläche}\\ \rho \text{Dichte der Luft}\\ v\text{Geschwindigkeit zwischen Körper und Luft}\end{array}$

Die Luftwiderstandszahl ist von der Form und von der Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen Körpers abhängig. Bild 5 zeigt einige Durchschnittswerte. Bei modernen Pkw liegt die Luftwiderstandszahl bei etwa 0,3.
Für die Praxis von besonderer Bedeutung ist die Zunahme des Luftwiderstandes mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Das bedeutet: Verdoppelt ein Pkw seine Geschwindigkeit, so vergrößert sich sein Luftwiderstand um das Vierfache. Bei Vergrößerung der Geschwindigkeit um den Faktor 1,4 verdoppelt sich der Luftwiderstand. Er ist somit z. B. bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h doppelt so hoch wie bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h.
Darüber hinaus vergrößert sich der Luftwiderstand bei einem Pkw auch, wenn die Fenster geöffnet oder ein Dachgepäckträger montiert sind. Dadurch treten verstärkt Wirbel auf, die eine Vergrößerung der bewegungshemmenden Kraft bewirken. Um mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu fahren, ist dann eine höhere Motorleistung erforderlich, die mit einem höheren Benzinverbrauch verbunden ist.