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STRUKTUR DER MATERIE

WIRBEL UND WELLE

WIRBELPHÄNOMENE


• Der Forscher in Sachen Laminar- und Turbulenzströmungen: Walter Tollmien
• Kurze Notiz über laminare und turbulente Strömungen

Der Forscher in Sachen Laminar- und Turbulenzströmungen:
Walter Tollmien

Als erstes möchte ich an dieser Stelle einen Namen nennen, der in der Geschichte der Wissenschaft nur am Rande erwähnt wird, dessen  Träger jedoch wesentliches zur Entwicklung der Strömungsphysik leistete:
      Walter Tollmien (1900 bis 1968) A.
Er lebte einige Zeit hier in Wittenberg, legte sein Abitur am hiesigen Melanchthon-Gymnasium ab und arbeitete anschließend kurzzeitig im hiesigen Gummiwerk, in dem auch ich nach dem Ende meines Physikstudiums im Jahr 1974 eine Arbeit aufnahm.
Seine Forschungen befassten sich - stark vereinfach gesagt - mit der  Entstehung von Turbulenzen (Wirbeln) in speziellen laminaren Strömungen.
Ich erwähne ihn in der Namensliste T im Register kurz und stelle ihn ausführlicher auf der Seite WISSENSCHAFTSGESCHICHTE#Tollmien (in LUTHERSTÄDTISCHES » DER GEIST DER LUTHERSTADT W.)  vor. 
In Göttingen war er z. B. neben seiner Professur an der dortigen Universität ab 1957 als Direktor  des Max-Planck-Instituts für Strömungsforschung (dem heutigen Institut für Dyynamik und Selbstorganisation) tätig.

Die Stadt Göttingen würdigt ihn auf einer Gedenktafel u. a. mit diesem Text:
Durch seine bahnbrechenden Arbeiten als Forscher und sein fruchtbares Wirken als akademischer Lehrer hat Walter Tollmien entscheidend dazu beigetragen, dass sich die Strömungsphysik zu einer interdisziplinären Wissenschaft von höchster Bedeutung entwickelt hat. Ihm ist es zu verdanken, dass die moderne Hydro- und Aerodynamik einen mathematisch strengen Weg beschreiten konnte, um das noch ungelöste Turbulenzproblem zu untersuchen. Auf diese Weise wurde Tollmien zum Wegbereiter der modernen Chaostheorie, für die die Turbulenzforschung den Prototyp darstellt.

Kurze Notiz über laminare und turbulente Strömungen

Diese Strömungen - ob in Luft oder Wasser - begegnen uns ständig in unserem Alltag.
Das Faszinierende an ihnen ist die Fähigkeit des Übergangs zwischen beiden Formen bei Flüssigkeiten und Gasen.
So kann man wohl kaum den Blick von einem Fluss wenden, der träger dahinfließt und in dem sich ständig neue kleinere Wirbel bilden und wieder auflösen. Hier hat die Natur  eine wunderschöne Form der "Selbstregulierung" (Selbstorganisation) gefunden: Je schneller die Strömung ist, desto häufiger bilden sich energiespeichernde Wirbel, die die Fließgeschwindigkeit wieder senken.
Die laminare Strömungsenergie (kinetische Energie) wandelt sich in Rotationsenergie der Wirbel.
Anders gesagt: die Wirbel entziehen dem Fluss kinetische Energie und verlangsamen ihn dadurch. Wird der Fluss zu langsam, lösen sie sich wieder auf und der Fluss kann wieder schneller dahinfließen.

Das gleiche Prinzip kann man z. B. im Sport beobachten:
Wenn ein Diskuswerfer sich dreht und dabei seine Rotationsgeschwindigkeit steigert, bis er den  Diskus dann wirft - auch dort wird die Rotationsenergie auf eine lineare Bewegung übertragen
Eine Eiskunstläuferin, die eine Pirouette dreht, kann ihre Umdrehungszahl steuern, indem sie z. B. die Arme nach außen wegstreckt oder dicht an den Körper zieht.

Viktor Schauberger Namen war ein Autodidakt, ein Laienforscher, ein Natur-Forscher im besten Sinne des Wortes, der bei seinen Naturbeobachtungen viele physikalische Phänomene erkannte und beschrieb. Auch ihn faszinierten die Wirbel und er beobachtete z. B., wie Flüsse ihr Flussbett mit Hilfe von Wirbeln und diversen Ablagerungen sozusagen selbst optimierten.
Schaubergers Erkenntnisse und sein Leben sind so umfangreich, dass ich hier nur auf ihn verweisen möchte. Vielleicht komme ich an anderer Stelle noch einmal auf ihn zu sprechen.
Irgendwann - leider kann ich die Quelle nicht mehr angeben - sah ich eine Abbildung einer "Maschine", bei der Wasser in einem Kreislauf von unten nach oben und wieder zurück in ein Wasserbecken floss. Natürlich denkt man dabei sofort an "Perpetuum mobile" bzw. "Trickserei" und "Betrug".
In einem Steigrohr stieg Wasser nach oben, das dann von dort über bestimmte Ausläufe wieder ins Becken fiel.
Die Ausflussrohre waren wie die langen Hörner von bestimmten Huftieren geformt. Schauberger sprach von "negativer Reibung".
Mein Erklärungsversuch damals war: Im Wasser sind gewisse "Mikrowirbel" vorhanden, die jedoch in diesen seltsamen Hörnern in laminare Strömung umgewandelt werden. Dabei wird die Wirbelenergie freigesetzt und bewegt das Wasser. Beim Herabfallen aus den Hörnern in das Becken verwirbeln sie erneut und der Kreislauf kann von vorn beginnen. Die Energie dafür wird aus der Umgebungstemperatur gewonnen - der Raum müsste also mit der Zeit abkühlen.

Dieser Vorgang wäre also der zu Prof. Tollmiens Beschreibung gegensätzliche Vorgang:
Tollmin untersuchte die Wirbelbildung, Schauberger die Wirbelauflösung.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Wirbel (Turbulenzen) und Strömungen ist die Tatsache, dass ein Wirbel einen exakt lokalisierbaren Schwerpunkt besitzt, eine Strömung nicht.

Damit mich jetzt angesichts des Textes über Schaubergers "Perpetuum mobile" niemand für verrückt hält, möchte ich auf einen Artikel in weltderphysik.de aus dem Jahr 2017 verweisen: "Aktive Flüssigkeit strömt ohne Pumpe"
 von Jan Oliver Löfken, erstellt am 23.03.2017.
(Link auf den Artikel - öffnet in einem neuen Fenster)
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↑ Anmerkung A
 Ausführliche Informationen über Walter Tollmien gibt es auf der Website seiner Tochter, Cordula Tollmien:
https://www.cordula-tollmien.de/genealogie.html
Dort findet man auch seine Dissertation aus dem Jahr 1924
(https://www.cordula-tollmien.de/pdf/tollmien_zeitliche entwicklung.pdf)
und seine wegweisende Arbeit aus dem Jahr 1929 "Über die Entstehung der Turbulenz"
(https://www.cordula-tollmien.de/pdf/tollmien_entstehung_turbulenz.pdf).
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