Der Strömungswiderstand

Der Strömungswiderstand ist eine physikalische Kraft, das Formelzeichen ist Fr, die Einheit ist Newton. Der Strömungswiderstand gibt an, wie stark ein Objekt in einem Medium (zum Beispiel Wasser, Luft, Essig) abgebremst wird.

Es gibt zwei Arten des Strömungswiderstands, die erste heißt laminare Strömung. Sie beinhaltet nur die Reibung zwischen dem Objekt und dem umgebenden Medium, sie kann (relativ) leicht mit einer Formel berechnet werden, die zweite Art heißt Turbulente Strömung, sie berücksichtigt nicht nur die Reibung, sondern alles wie auch die Verwirbelungen die ein Objekt im Medium verursacht. Die Laminare Strömung können wir zwar berechnen, doch mit hochkomplizierten Formeln und hoher Mathematik kann auch dies berechnet werden. Das verlangt aber auch die komplexen Zahlen wie die Zahl i , für die gilt i² = -1.

Der Strömungswiderstand wird in vielen Fachgebieten gebraucht, wie zum Beispiel in der Herstellung von Flugzeugen, da man hier mit einem guten Strömungswiderstand viel Benzin und somit Geld sparen kann. Das gleiche gilt für die Schifffahrt und den U-Bootbau.

Bei den oben genannten und den meisten anderen Objekten wird viel der Bau- und Plantechnik aus der Natur abgeschaut so gibt es Flugzeuge mit nach oben zeigenden Abknicken in den Flügeln (wie bei einem Steinadler) der bewirkt dass Luftwirbel stark reduziert werden.

Die Formeln und ausführliche Erklärungen sind nun in den folgenden Kapiteln enthalten.

1. Laminare Strömung
1. Definition

Laminare Strömung ist die einfache Version der Turbulenten Strömung bei ihr entstehen keine Verwirbelungen in dem Trägermedium, es wird nur der Widerstand durch die Reibung der 2 Medien berechnet.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist diese Formel sehr hilfreich da bei geringen Geschwindigkeiten keine Verwirbelungen entstehen Physiker wie der Osborne Reynolds im Jahr 1883. Er hat diesen Wert mit der mit der Reynold-Zahl Re gekoppelt, diese wird so definiert:



2. Formel

Die Formel für den Strömungswiederstand einer Kugel bei einer laminaren Strömung ist:

bezeichnet die Viskosität(=Zähflüssigkeit) des Stoffes, v die Geschwindigkeit und r den Radius(in Meter).

Wenn man nun einen Faktor vergrößert, egal welchen, wird auch der Strömungswiderstand vvergrößert. Der Strömungswiderstand ist also proportional.

Ein Beispiel für die Proportionalität des Strömungswiderstands:

Eine Kugel mit variablem Radius ist in einem Schwimmkanal befestigt. Das Wasser strömt mit einer Geschwindigkeit von 10 km in der Stunde. Die Viskosität des Wassers ist 1. Nun sieht die Formel so aus:

Und wenn man die Formel vereinfacht(gerundet):

In Worten gefasst: Vergrößert man den Radius um einen Meter, nimmt der Strömungswiderstand um 188,5 Newton zu.

2. Turbulente Strömungen
1. Definition

Turbulente Strömung ist ähnlich wie eine Laminare Strömung doch entstehen bei dieser außer der Reibung der Medien auch noch Verwirbelungen, die das Objekt im Medium wiederum noch mal abbremst. Lange Zeit vermutete man hinter diesen Verwirbelungen das pure Chaos und keine Regelmäßigkeit.

Doch seit kurzer Zeit kann man mit hochkomplexen Formeln und Gleichungen die Verwirbelungen messen. Diese Formeln werden in dem folgenden Kapitel beigefügt.

Beispiele für solche Turbulenten Strömungen sind beispielweise der Rauch einer Zigarette, welcher Anfangs gerade und Laminar verläuft doch ab einer gewissen Höhe kann man sehr starke Turbulenzen und eindeutige Verwirbelungen erkennen selbst bei stillstehender Luft.

2. Formeln

Wenn eine Kraft(F) einwirkt:



und in einem Moment(M):



p ist die Dichte des Objekts, v die Geschwindigkeit, A ist die Fläche, die senkrecht oder parallel zur Strömung ist, b ist eine Formvariable , die eine feste oder bekannte Größe bezeichnet, und CF der Strömungswiederstandskoeffizient

Der Strömungswiderstandskoeffizient braucht man, um den Strömungswiderstand zu berechnen. Das Formelzeichen ist Cw.