Strömung

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Viskosität ✔ | Schmierstoffe ✔ | Durchflussrate durch ein Rohr ✔ | Der Bernoulli-Effekt ✔

Honig fließt zäh von einem Teller
Honig ist zähflüssig. Man sagt, er hat eine hohe Viskosität

Gase und Flüssigkeiten nennt man auch Fluide. "Fluid" bedeutet: Etwas, das fließen kann.

Viskosität

Wasser fließt schnell, Honig langsam. Man sagt, dass Honig viskoser als Wasser ist: er hat eine höhere Viskosität.

Viskosität wird durch Reibung verursacht. Wenn Honig von einem Löffel abläuft, haftet seine innere Schicht am Löffel, so dass die anderen Schichten übereinander gleiten müssen. Die Reibung zwischen den Schichten erschwert das Gleiten, so dass Honig langsam fließt.

Die Viskosität hat noch einen weiteren Effekt. Eine Flüssigkeit mit einer hohen Viskosität widersteht der Bewegung von Objekten, die sich in ihr befinden. Wenn du beispielsweise eine kleine Stahlkugel in den Honig fallen lässt, sinkt sie nur langsam zu Boden.

Zahnrad mit Schmierstoff zur Verringerung der Reibung um die Achse

Schmierstoffe

In einer Maschine kann zu viel Reibung zwischen den beweglichen Teilen eine Überhitzung und einen schnellen Verschleiß verursachen. Zur Reduzierung der Reibung werden Schmierstoffe wie Öl und Fett eingesetzt. Der Schmierstoff wird zwischen den bewegten Flächen aufgebracht, so dass sie ohne gegenseitige Berührung übereinander gleiten können.

Für eine minimale Reibung sollte ein Schmiermittel eine niedrige Viskosität aufweisen. Aber sie darf nicht zu niedrig sein. Wenn ein Öl zu leicht fließt, können die bewegten Flächen in Kontakt kommen und aneinander reiben. Fett hat eine höhere Viskosität als Öl. Aber darum fließt es nicht weg oder man braucht Dichtungen, um es in der Maschine zu halten.

Die Viskosität der meisten Flüssigkeiten nimmt mit der Temperatur ab. Zum Beispiel fließt heißes Öl leichter als kaltes Öl. Ingenieure müssen dies bei der Entwicklung von Motoren berücksichtigen und die richtigen Schmierstoffe wählen.

Durchflussrate durch ein Rohr

Auf dem Bild unten ist ein Schlauch mit einem Wasserhahn verbunden. Die Druckdifferenz zwischen den Enden des Schlauchs verursacht einen Wasserfluss.


Schlauch am Wasserhahn angeschlossen

Das Volumen des Wassers, das pro Sekunde fließt, wird Durchflussrate genannt. Sie ist im ganzen Schlauch gleich. Die folgenden Änderungen würden den Durchfluss reduzieren:

  • eine geringere Druckdifferenz zwischen den Enden des Schlauchs
  • ein längerer Schlauch
  • ein dünnerer Schlauch
  • eine Flüssigkeit mit höherer Viskosität im Schlauch.

Wenn sich der Schlauch an irgendeiner Stelle verengt, steigt die Strömungsgeschwindigkeit an, obwohl die Durchflussmenge (Volumen pro Sekunde) unverändert bleibt.

Ruhige und turbulente Strömung

ruhige, nicht turbulente Strömung
Die Luft fließt langsam am Ball vorbei, die Strömung ist gleichmäßig.

ruhige, nicht turbulente Strömung
Jetzt ist der Luftstrom schneller. Der Luftstrom ist turbulent geworden. In den meisten alltäglichen Situationen ist der Luftstrom turbulent - hinter Autos, die schnell fahren, zum Beispiel. Bei turbulenter Strömung steigt der Luftwiderstand bei steigender Geschwindigkeit stark an.

Der Bernoulli-Effekt

Wenn ein Fluid fließt und seine Geschwindigkeit zunimmt, fällt sein Druck. Dies ist bekannt als Bernoulli-Effekt. Hier sind einige Beispiele:


Bernoulli-Effekt Strömung
Der Flügel eines Flugzeugs ist so geformt, dass der Luftstrom über der Oberseite beschleunigt. Dies verringert den Druck über dem Flügel, was eine nach oben gerichtete Kraft verursacht, die zum Gesamthub beiträgt. (Der größte Teil des Hubs ist auf den leichten Aufwärtswinkel des Flügels zurückzuführen.)
Bernoulli-Effekt Rohrleitung
In einem Venturi-Röhrchen beschleunigt das Fluid, wo sich das Rohr verengt, so dass sein Druck sinkt. Je schneller der Durchfluss ist, desto größer ist der Druckabfall. In Flugzeugen wird dieses Prinzip zur Messung der Luftgeschwindigkeit verwendet und in Geräten, die die Strömungsgeschwindigkeit messen.

Tennisspieler schlägt Ball mit Spin
In einigen Sportarten wird eine Technik verwendet - Spin genannt - um dem Ball einen Drall zu geben. Wenn sich ein drehender Ball durch die Luft bewegt, zieht seine Oberfläche die Luft um ihn herum mit sich. So wird der Luftstrom auf einer Seite des Balles beschleunigt, aber auf der anderen verlangsamt. Dies führt zu einem Druckunterschied und damit zu einer seitlich wirkenden Kraft auf den Ball.

Zauberhafte Physik: Bernoulli Effekt

Fragen

Richtig ist:

  1. nimmt zu
  2. Gleicher Effekt: nimmt zu

Richtig ist:

3. In einer Spritzvorrichtung bewirkt der Luftstrom, dass die Farbe im Röhrchen nach oben fließt. Wenn die Farbe mit dem Luftstrom zusammentrifft, wird sie in Form von Tröpfchen weggeblasen.

  1. Während die Luft von A nach B fließt, was passiert mit ihrer Geschwindigkeit? Warum?
  2. Während die Luft von A nach B fließt, was passiert mit dem Druck?
  3. Wie sieht der Luftdruck bei B verglichen mit dem Luftdruck bei C aus?
  4. Warum fließt die Farbe im Röhrchen nach oben?
Schema einer Farbspray-Dose

Richtig ist:

  1. wird größer
  2. Gleicher Effekt: wird größer
  3. ist niedriger

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