Wirbel und Schrauben in Scherströmungen
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Abstract:
Wenn wir Wasser in einem Topf rühren und dann sich selbst überlassen, so entsteht eine Strömung, die wir, auf die ganze “’assermasse gesehen, einen «Wirbel» nennen. Darin fasst die Alltagssprache viele Einzelheiten in ein Bild zusammen: z.B. das langsame Kreisen entlang des Topfrandes und das schnellere in der Mitte, das Herumwandern des Wirbeltrichters und sein Auf- und Abwogen. Man beobachtet auch ein spiraliges Nach-Innen-Laufen von Teilchen, die zum Topfboden absinken ; kleinere, noch schwebende Teilchen zeigen ein langsames Absteigen des Wassers am Topfrand und ein Aufsteigen in der Mitte an. Aus diesen Einzelheiten ergibt sich insgesamt eine Bewegung, die eine ringförmig in sich zurücklaufende Spirale oder Schraubenlinie beschreibt. Der einfache, durch Rühren erzeugte «Wirbel» zeigt also der genauen Beobachtung schon eine recht komplizierte Bewegung. Es fehlt aber der Massstab, der eine Beurteilung der Strömung mit allen Einzelheiten erst ermöglichen würde. Einen geeigneten Massstab hoffen wir in diesem Aufsatz an einer Reihe von Experimenten zu gewinnen, an denen wir die Bedingungen für die Entwicklung der Strömungsformen kennenlernen können.
Wir werden dann zwei Bewegungselemente, Wirbel und Schraube, zu unterscheiden haben, weil sie sich in polarer Weise entwickeln. Je nach den experimentellen Bedingungen wird die Strömung entweder mehr durch die Bildung von Wirbeln oder überwiegend durch Schrauben bestimmt. Die Bildung dieser Bewegungselemente können wir, ebenso wie durch Rühren beim «Topfwirbel», in mannigfaltiger Weise dadurch einleiten, dass wir Geschwindigkeitsunterschiede quer zur Hauptströmung erzeugen. Weil die Flüssigkeit dabei eine Scherung erfährt, sprechen wir von Scherströmungen. [...]