Strömungslehre – Einleitung

Die Strömungslehre

Die Strömungslehre oder Fluidmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit dem Verhalten von Fluiden beschäftigt. Wie ihr Untersuchungsgebiet genau definiert ist, lernst du im Folgenden.

Strömungslehre – Definition

Die Strömungslehre untersucht das statische und dynamische Verhalten von Fluiden.

Ihre Erkenntnisse finden in vielen Bereichen Anwendung. Hast du zum Beispiel schon einmal einen Windkanal gesehen? In so einem Aufbau wird getestet, wie Luft an Autos oder Flugzeugtragflächen vorbeiströmt – das ist eine Anwendung der Strömungslehre. Auch bei Wind oder Meeresströmungen wie dem Golfstrom handelt es sich um strömende Fluide. Und sogar in der Medizin spielt die Strömungslehre eine wichtige Rolle – denn auch Blut ist ein Fluid.

Bevor wir etwas näher auf die Teilbereiche der Strömungslehre eingehen, wollen wir zunächst der Frage nachgehen, was ein Fluid überhaupt ist.

Fluide – Einführung

Als Fluide bezeichnet man in der Physik Substanzen, die bestimmte Eigenschaften aufweisen. Eine dieser Eigenschaften steckt schon im Namen: Sie fließen. Das Wort Fluid kommt nämlich ursprünglich aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie fließend. Physikalisch ausgedrückt bedeutet das Folgendes:

Die Teilchen von Fluiden lassen sich durch Druck- und Schubkräfte leicht gegeneinander verschieben.

Eine weitere wichtige Eigenschaft, die Fluide charakterisiert, ist ihre Formlosigkeit: Im Gegensatz zu Feststoffen besitzen Fluide nämlich keine feste Form, sondern nur ein bestimmtes Volumen:

Fluide haben keine feste Form. Befindet sich ein Fluid in einem Gefäß, kann es dessen Form annehmen. Dabei kann das Gefäß jede beliebige Form vorgeben.

Ein Spezialfall sind gasförmige Fluide. In einem Gefäß nehmen sie immer das gesamte ihnen zur Verfügung stehende Volumen ein.

Fluide – Beispiele

Nachdem wir nun die Eigenschaften von Fluiden kennengelernt haben, wollen wir ein paar Beispiele aufzählen. Allgemein zählen alle Gase und Flüssigkeiten zu den Fluiden. Die Fluide, die dir im Alltag am häufigsten begegnen, sind vermutlich Wasser und Luft. Die Fließeigenschaften von Wasser kannst du am Wasserhahn beobachten oder wenn du es in deinem Glas umherschwenkst – durch die wirkenden Kräfte kann sich das Wasser so stark bewegen, dass es das Gefäß teilweise verlässt. Du siehst aber auch ohne Schwenken, dass das Wasser zwar stets dasselbe Volumen einnimmt, sich aber immer der Form des Glases anpasst, das du benutzt. Ob das Glas eckig, rund oder wie eine Vase geformt ist, spielt keine Rolle. Das Wasser passt sich der Form an. Luft nimmt immer den gesamten ihr zur Verfügung stehenden Raum ein – in deinem Zimmer gibt es keine Ecke, in der plötzlich keine Luft mehr ist.

Ein weiteres Beispiel für Fluide sind Öle, wie zum Beispiel Olivenöl. Auch diese fließen. Aber du kennst das vielleicht schon vom Kochen: Olivenöl fließt langsamer als Wasser. Das liegt daran, dass es dickflüssiger ist. Der Fachbegriff für das Fließverhalten von Fluiden ist die Viskosität. Je größer die Viskosität ist, desto dickflüssiger oder zäher ist ein Fluid. Olivenöl hat also eine höhere Viskosität als Wasser.

Es gibt auch Fluide, deren Viskosität extreme Werte annimmt. Flüssiges Helium hat unter bestimmten Bedingungen beispielsweise gar keine messbare Viskosität mehr und bei Teer ist die Viskosität so hoch, dass es sich wie ein Feststoff verhält – obwohl es ein Fluid ist.

Feststoffe als Fluide

Manche Feststoffe können sich unter bestimmten Bedingungen auch wie Fluide verhalten. Ein bekanntes Beispiel ist sehr feiner Sand, in den Luft geblasen wird. Auch Suspensionen, also in Flüssigkeiten verteilte Teilchen, verhalten sich wie Fluide.

Strömungslehre – Grundlagen

Kommen wir zurück zur Strömungslehre. Wir hatten schon festgehalten, dass sich die Strömungslehre bzw. Fluidmechanik mit dem statischen und dynamischen Verhalten von Fluiden beschäftigt. Wir können damit zwei Teilgebiete der Fluidmechanik definieren und zwar die Fluidstatik und die Fluiddynamik.

Fluidstatik

Die Fluidstatik beschäftigt sich mit Fluiden, die in Ruhe sind, sich also nicht bewegen. Je nachdem, ob eine Flüssigkeit oder ein Gas beobachtet wird, kann man die Fluidstatik noch in die Bereiche Hydrostatik (Flüssigkeiten) und Aerostatik (Gase) unterteilen.

In der Hydrostatik wird zum Beispiel der hydrostatische Druck untersucht, der beim Tauchen, aber auch für Prozesse in den Sternen wie der Sonne wichtig ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Hydrostatik ist der statische Auftrieb, der dafür sorgt, dass Schiffe schwimmen können.

In der Aerostatik werden zum Beispiel Größen wie der Gas- oder Luftdruck oder die Dichte untersucht. Anwendung findet sie unter anderem bei Heißluftballonen oder der Untersuchung der Atmosphäre.

Fluiddynamik

Die Fluiddynamik beschäftigt sich mit Fluiden, die sich bewegen. Auch die Fluiddynamik kann in die Hydrodynamik (Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Gase) unterteilt werden. In beiden Fällen werden Strömungen, Wirbel (Turbulenzen) und der dynamische Druck untersucht. Anwendung findet die Fluiddynamik zum Beispiel bei der Entwicklung von Flugzeugen und Autos, bei der Untersuchung vom Blutfluss oder allgemein beim Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch Rohrsysteme.