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FORSCHUNG/810: Pirouetten im Chaos der Turbulenz (MPG)


Max-Planck-Gesellschaft - 6. Juni 2011

KOMPLEXE SYSTEME
Pirouetten im Chaos der Turbulenz

Erkenntnisse, wie Wirbel sich in einer turbulenten Strömung verhalten, könnten die Simulation von Wolken in Klimamodellen erleichtern


Das schnelle Vermischen von Kaffee und Milch nach dem Umrühren oder die Bildung von Regentropfen in Wolken: das sind nur zwei von vielen Phänomenen, in denen Turbulenzen eine tragende Rolle spielen. Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und der Ecole Normale Superieure de Lyon gefunden, dass die chaotisch erscheinenden Turbulenzen erstaunlich viel Ordnung enthalten. Eine wesentliche Zutat von Turbulenzen sind demnach Wirbel, die sich ähnlich verhalten wie ein Eisläufer bei einer Pirouette, wenn er die Arme anwinkelt und dadurch seine Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Diesen Pirouetten-Effekt beobachteten die Forscher an verschieden großen Wirbeln einer turbulenten Flüssigkeit. Sie lösten damit ein Rätsel auf, das Turbulenzforscher seit Jahrzehnten beschäftigt. Nämlich die Frage, wie Energie von großen zu immer kleineren Wirbeln fließt und sich schließlich in den kleinsten Wirbeln in Wärme umwandelt.


Mit mehreren Kameras verfolgen Physiker Teilchen, die in einer turbulenten Wasserströmung verwirbelt und von einem intensiven Laser angestrahlt werden. An den Bahnen von vier Partikeln erkannten sie, dass ein Wirbel sich wie ein Pirouetten drehender Eisläufer zusammenzieht und dabei schneller wird. - © Eberhard Bodenschatz / MPI für Dynamik und Selbstorganisation

Turbulenzen im Blick: Mit mehreren Kameras verfolgen Physiker des
Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation Teilchen, die in
einer turbulenten Wasserströmung verwirbelt und von einem intensiven
Laser angestrahlt werden. An den Bahnen von vier Partikeln erkannten
sie, dass ein Wirbel sich wie ein Pirouetten drehender Eisläufer
zusammenzieht und dabei schneller wird.
© Eberhard Bodenschatz / MPI für Dynamik und Selbstorganisation


Schon in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts fragten sich Physiker, wie Turbulenzen die Energie einer gerichteten Strömung in ungerichtete Wärmeenergie umwandeln. Sie erklärten es bildlich mit der so genannten "Energiekaskade": Demnach strömt die Bewegungsenergie, etwa die eines Flusses, während er einen Wasserfall hinunterstürzt, zunächst in große Wirbel, die sich schnell drehen. Die großen Wirbel zerfallen in kleinere, diese wiederum in immer noch kleinere. Dabei verlangsamen sich die Drehgeschwindigkeiten der Wirbel, je kleiner diese werden. Bei den langsam drehenden Miniwirbeln schließlich wirkt sich die Reibung so stark aus, dass die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird.

Die Energiekaskade nutzen Menschen im Alltag, etwa für Mischungsvorgänge: beim Verrühren von Milch im Kaffee wandelt sich die zunächst durch den Löffel angeregte Strömung der Milch binnen Sekunden zu einer richtungslosen, gleichmäßigen Verteilung der winziger Milchtröpfchen. Auch die Ausgangsstoffe von chemischen Reaktionen werden mithilfe von Turbulenz vermischt, so dass diese wesentlich schneller ablaufen, als ohne eine Vermischung der Stoffe.


Die Turbulenz aus Sicht eines mitschwimmenden Teilchens

Verstanden haben Forscher die Mechanismen in der Turbulenz jedoch noch nicht. Ein solches Verständnis könnte die Modellierung turbulenter Vorgänge im Computer deutlich erleichtern und dadurch etwa die Simulation von Wolken in Klimamodellen verbessern. Die Physiker Eberhard Bodenschatz und Haitao Xu vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und Alain Pumir von der Ecole Normale Superieure de Lyon haben nun einen wichtigen Schritt hin zum Verständnis der Turbulenzen getan. Sie entdeckten eine wesentliche Zutat von turbulenten Strömungen, indem sie erstmals die Perspektive eines in der turbulenten Strömung mitschwimmenden Teilchens einnahmen.

Dazu beobachteten sie in einer turbulenten Wasserströmung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Polystyrolteilchen, die von einem sehr hellen Laser beleuchtet wurden. Bei der Analyse der Bilder griffen sie sich ein Teilchen heraus, das von drei weiteren je gleich weit entfernten Partikeln umgeben war, sodass sie zusammen einen Tetraeder bildeten. Sie verfolgten, wie sich die Lagen der Teilchen zueinander mit der Zeit veränderten, wie der Tetraeder also in der wirbelnden Flüssigkeit seine Form wandelt und wie er rotiert. Es handelte sich dabei um extreme Zeitrafferaufnahmen von 30 000 Bildern pro Sekunde.

Das Ergebnis erstaunte die Physiker: Die Teilchen vollführten gewissermaßen einen Tanz wie ein Eisläufer, der eine Pirouette ausführt. Wenn er während der Drehung um die eigene Achse die Arme anwinkelt, erhöht sich seine Drehgeschwindigkeit drastisch. Grund dafür ist die Erhaltung des so genannten Drehimpulses, einer physikalischen Größe, die umgangsprachlich als Drall bezeichnet wird. Weil eine weiter von der Drehachse entfernt liegende Masse einer Drehung mehr Widerstand entgegensetzt als innen liegende, erhöht sich das Tempo der Drehung, wenn Masse von außen nach innen verlagert wird.


Originalveröffentlichung
Haitao Xu, Alain Pumir und Eberhard Bodenschatz
The pirouette effect in turbulent flows
Nature Physics, 5. Juni 2011; DOI: 10.1038/NPHYS2010

Ansprechpartner

Prof. Dr. Eberhard Bodenschatz
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
E-Mail: eberhard.bodenschatz@ds.mpg.de


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Quelle:
MPG - Presseinformation vom 6. Juni 2011
Herausgeber:
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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veröffentlicht im Schattenblick zum 9. Juni 2011