Alfred Evert 30.10.2006

05.02. Drei Mal Sog-Effekt

Blasen von Nichts
Im vorigen Kapitel wurde unter anderem untersucht, wie sich Gase mischen. Nun sollen Prozesse dargestellt werden, welche beim ´Mischen´ von Gasen unterschiedlicher Dichte statt finden. In Bild 05.02.01 ist bei A links ein Bereich relativ hoher Dichte (rot) dargestellt, rechts ein Bereich (des gleichen Gases) mit geringerer Dichte (hellrot).

Aus vorigen Überlegungen wissen wir, dass die Teilchen eines Gases nicht gleichmäßig verteilt sein können, sondern zwangsläufig immer wieder ´Blasen von Leere´ auftreten. In diesem Bild bei B sind solche Blasen (hellrot) schematisch skizziert. Natürlich werden solch teilchenlose Gebiete um so größer sein, je weniger Teilchen insgesamt in einem Volumen vorhanden sind (hier skizziert durch größeren Blasen rechts).

In diesem Bild bei C ist nun die Trennwand zwischen beiden Bereichen entfernt. Teilchen aus dem bislang dichten Bereich werden vermehrt in die Blasen des bislang weniger dichten Bereichs fallen. Im Prinzip findet eine Wanderbewegung von hoher zu geringerer Dichte statt. Nach kurzer Zeit wird überall gleiche Dichte herrschen - pauschal gesehen - während real sich weiterhin ständig Bereiche höchst unterschiedlicher Anwesenheit von Teilchen ergeben, in fortwährend ändernder Form.

Bündelweises Strömen
Natürlich ist dieser Prozess des Ausgleichs von Dichte - und damit auch von Druck - zwischen zwei Bereichen längst bekannt und per Formeln exakt berechenbar. Ich möchte mit diesen simpel skizzierten Blasen jedoch hervorhebend, dass der Ausgleichsprozess nicht nur an der Grenzlinie statt findet und nicht nur durch einzelne Atome, sondern immer ganze ´Bündel´ von Teilchen relativ geschlossen in bislang ´leere´ Teilbereiche hinein fallen.

Zudem möchte ich betonen, dass diese Sog-Bereiche keinesfalls irgendwelche ´anziehende Kräfte´ ausüben. Sie ermöglichen lediglich, dass zufällig in ihre Richtung gestoßene Teilchen dort bis zur nächsten Kollision längere Wege als durchschnittlich fliegen können. Indem sie von ihrem bisherigen Bereich relativ lang weg fliegen, können sie auch nur verspätet zurück kommen. In der Zwischenzeit können darum weitere, wiederum zufällig dorthin gestoßene Teilchen auf ähnlichem Weg folgen, woraus sich momentan gleichförmige Strömung ergibt.

Rückwirkender Sog
Generell bewegen sich Gas-Teilchen chaotisch in beliebige Richtungen. Zu Beginn vorigen Kapitels wurden diese Bewegungen schematisch reduziert in nur senkrechte und waagrechte Richtung. Hier findet der Dichte-Ausgleich theoretisch nur von links nach rechts statt, darum sind in Bild 05.02.02 Bewegungen nur in waagrechter Richtung dargestellt.

Im dichten Bereich links (rot) ist der Abstand zwischen Kollisionen zwei Weg-Einheiten lang unterstellt (schwarze Linien, oben links bei A), im weniger dichten Bereich rechts (hellrot) soll dieser Abstand drei Weg-Einheiten jeweils lang sein (blaue Linien, oben rechts). Sechs Teilchen (rote Punkte) sind zunächst dem dichten Bereich zugeordnet und nur vier Teilchen dem weniger dichten Bereich.

In der ersten Zeile A ist die Ausgangssituation dargestellt. Je ein Teilchen befindet sich rechts und links an der Wand. Dazwischen stoßen jeweils zwei Teilchen gerade zusammen (nachdem sie seit ihrer vorigen Kollision insgesamt vier schwarze Wegeteile links bzw. sechs blaue Wegteile rechts zurück gelegt hatten). In den Zeilen darunter ist jeweils die Position nach einer Weg- bzw. Zeiteinheit eingezeichnet.

Ausgehend von der in Zeile A skizzierten Situation fliegen die Teilchen wieder auseinander bzw. von der Wand zurück. Sie kollidieren nach zwei Einheiten (bei B) bereits wieder im dichten Bereich, aber erst nach drei Einheiten (bei C) im weniger dichten Bereich.

Das Teilchen links von der Grenze zwischen beiden Bereichen kann nun aber (bei D) eine Einheit weiter nach rechts fliegen (markiert durch blauen dicken Strich), bis es erneut kollidiert. Nach jeweils zwei Wegstrecken kann das nächste Teilchen an der neuen Grenze weiter in den relativ leeren Bereich nach rechts fliegen (jeweils blau markiert). Nach sehr kurzer Zeit verlagern sich also die Teilchen nach rechts bzw. umgekehrt wird der bislang dichte Bereich ´ausgedünnt´.

Bei E würde das erste Teilchen den beobachteten Bereich endgültig nach rechts verlassen, bei F würde von links ein neues Teilchen auftreten. Es wird also (realistisch) unterstellt, dass die Bereiche größerer und geringerer Dichte nach links und rechts weit über dieses Beobachtungsfenster hinaus reichen. Es zeigt sich anhand dieser schematischen Darstellung klar, dass der ´Sog-Bereich´ zurück wirkt in den Druck-Bereich bzw. in diesen hinein wandert. Ein Sog zieht nicht irgendwie Teilchen zu sich her - sondern er verlagert sich rückwärts in den Bereich größerer Dichte hinein - wie man möglicherweise auch an dieser Animation erkennen kann.

Auch das ist natürlich (mehr oder weniger) bekannte Tatsache, wenngleich die Konsequenzen daraus eher selten gezogen werden. Hier ist dieser Prozess nur sehr schematisch dargestellt anhand einer Reihe von Teilchen. Natürlich verläuft der Prozess analog dazu auch betreffend voriger ´Blasen´: diese relativ leeren Teilbereiche wandern in die Bereiche bislang größerer Dichte hinein. Die Teilchen wandern von hoher zu geringer Dichte - aber entgegen gesetzt wandern lokale Bereiche relativer Leere.

Leere in Gasen
In obiger Darstellung von Bewegung in nur waagerechter Richtung treten die Kollisionen zwangsweise im gegebenen Rhythmus auf, auch weil dort die Teilchen anfangs gleichförmig schematisch positioniert waren. Ich möchte noch einmal ein Beispiel anführen, aus dem sich die Leere von Gasen sowie das zwangsweise Auftreten obiger ´Blasen´ anschaulich ergibt.

In Bild 05.02.04 bei A ist eine Box von ca. 50 cm Kantenlänge skizziert, in welcher sich in neun Lagen jeweils neun Reihen von jeweils neun Weihnachts-Glaskugeln befinden. Insgesamt sind das 729 durchsichtige Kugeln (hier blau gezeichnet), nur eine ist undurchsichtig (hier rot markiert). Dieses ist etwa die Relation von Wassermolekülen in flüssiger Form (alle Plätze in der Box sind belegt) zu Wasserdampf (das Gas beansprucht das Volumen der ganzen Box, aber nur ein Platz ist belegt).

Nur eine Position in einer Lage (dunkel markiert) ist belegt, während die übrigen acht Lagen (hellrot) unbelegt sind. Bei B ist dieser Würfel noch einmal in kleinerem Maßstab gezeichnet und sieben weitere dazu (das Gesamtvolumen wäre ein Kubikmeter). Im Durchschnitt soll in jeder Box ein Platz belegt sein, was einer theoretischen, gleichförmigen Verteilung entspricht, real aber absolute extremer Ausnahmefall sein wird.

Bei zufälliger Verteilung ist vielmehr sehr wahrscheinlich, dass in einer Box zwei und in einer anderen Box sogar drei Plätze belegt sind. Dann werden zugleich aber drei Boxen völlig unbelegt sein (hellrot markiert). Und wiederum werden zumindest zwei davon neben einander liegen. Auch wenn in viel größerem Raum viel mehr Plätze zu belegen wären, werden ´leere Blasen´ einen großen Teil des Bereichs einnehmen.

Wenn beispielsweise von obigen Boxen jeweils neun neben, hinter und übereinander gestapelt würden (insgesamt 729) und in diesen 729 Positionen willkürlich zu belegen wären, blieben ziemlich genau 243 Boxen vollkommen leer (bekannt als ´2/3-Gesetz´ der Wahrscheinlichkeitsrechnung, z.B. beim Roulette). Egal wie groß die Bereiche angenommen werden, bei obigem Sog-Effekt werden in relativ leere Gebiete hinein ganze Bündel von Teilchen aus relativ dicht besetzten Bereichen tatsächlich in gemeinsamer Bewegung sein.

Ordnungsfaktor Wand
In Bild 05.02.05 bei A ist schematisch ein Bereich geringer Dichte (hell) in einem Bereich großer Dichte (dunkelrot) eingezeichnet. Die Teilchen fallen in die relative Leere hinein, teilweise sogar durch diese zunächst hindurch. Umgekehrt weitet sich die geringere Dichte (hellrot) radial aus.

In diesem Bild bei B ist die relative Leere entlang einer Wand (graue Linie unten) eingezeichnet. Teilchen fallen in diese Leere, auch bis zur Wand und werden von dieser reflektiert. Dies gilt auch im bereits ausgedünnten Bereich (hellrot) entlang der Wand. In diesen Fällen hinterlassen die reflektierten Teilchen hinter sich einen Freiraum, in welchen hinein aber (aus der Wand heraus) keine anderen folgen. Diese Leere wird mittig darum tatsächlich nur relativ langsam aufgefüllt. Andererseits lassen diese Freiräume im ausgedünnten Bereich entlang der Wand relativ gleichförmige Strömungen zu (Sog entlang von Wänden ´zieht´ stärker) bzw. umgekehrt weiten sich ausgedünnte Bereiche entlang von Wänden weiter aus.

In diesem Bild bei C ist ein wohlbekanntes Beispiel dieses Effekts skizziert: ein ´strömungs-günstig´ geformter Körper (blau). Dieser kann ortsfest in einer Strömung stehen oder sich durch ein ruhendes Fluid hindurch bewegen. In jedem Fall verdrängt er an seiner breitesten Stelle dieses Fluid und dahinter ergibt sich ein Bereich relativ geringer Dichte (hell).

Dieser Bereich wird aufgefüllt und zugleich immer wieder erneuert. Die relative Leere wandert im Raum (bei bewegtem Körper) oder relativ zur Fluidströmung (bei ortsfestem Körper) nach links. Wie oben geschildert, weitet sich der verdünnte Bereich (hellrot) entlang der Körperwände aus und reicht tatsächlich bis weit vor die ´Nase´ nach vorn. Der geringe Widerstand strömungsgünstiger Körper beruht darauf, dass sich vor ihnen automatisch und fortgesetzt ein Bereich relativer Leere bildet und entlang ihrer Wände eine relativ gleichförmige Strömung gegeben ist.

Der achterliche Sogbereich wirkt nicht ´anziehend´, wohl aber erlaubt er Teilchen dort hinein zu fallen (mit ihrer molekularen Geschwindigkeit) und dieses nicht nur im achterlichen Bereich, sondern schon viel weiter vorn im ausgedünnten Bereich - ein bekannter Fakt. Die Geschwindigkeit der Strömung entlang der Wände ist höher als weiter außen. Solche Differenzen zwischen benachbarten Strömungen zeitigen besondere Resultate - eine zweite Art von Sog-Effekt, wie nachfolgend dargestellt.

Geschwindigkeiten
Schallgeschwindigkeit ist uns vertraut, z.B. indem wir die Sekunden zwischen Blitz und Donner abzählen und für je drei Sekunden einen Kilometer berechnen. Die Teilchen der Luft sind aber noch schneller und brauchen nur zwei Sekunden für einen Kilometer. In Bild 05.02.06 sind verschiedene Geschwindigkeiten schematisch dargestellt.

Die rote Linie bei A repräsentiert Molekulargeschwindigkeit der Luft in einer Größenordnung von rund 500 m/s bzw. 1.500 km/h. Die Länge der blauen Linie bei B entspricht dann etwa der Schallgeschwindigkeit in einer Größenordnung von rd. 300 m/s bzw. 1.000 km/h. Die rote Zick-Zack-Linie zeigt an, dass der Schall nicht reine Vorwärtsbewegung ist, sondern nur ´auf Umwegen´ vorwärts kommen kann.

Als Sturm bzw. Orkan werden Windgeschwindigkeiten bezeichnet, welche nur ein Zehntel so schnell sind, beispielsweise rund 30 m/s oder 100 km/h (graue Linie bei C). Die Teilchen der Luft bewegen sich dabei auf vielfach längeren Wegen, in diverse Richtungen, z.B. mehr kreuz und quer als vorwärts. In nochmals stärkerem Umfang gilt das für die Geschwindigkeit von Gasen bei technischen Anwendungen, die meist nur wenige m/s bzw. km/h erreichen (schwarze Linie bei D).

Potentielle Bewegung
In diesem Bild bei E ist ein ruhendes Teilchen dargestellt (roter Punkt), welches nach einer Kollision und einer Zeiteinheit irgend einen Ort auf dem skizzierten Kreis einnehmen wird. Daneben sind strahlenförmig einige dieser möglichen Wege eingezeichnet. In obigen Überlegungen haben wir stellvertretend dafür nur Bewegungen in senkrechter oder waagrechter Richtung untersucht.

Wenn nun alle Teilchen und ihre molekulare Bewegungen durch eine generelle Vorwärtsbewegung (hier von links nach rechts) überlagert ist, sind entsprechende Darstellungen wie bei F repräsentativ. Summarisch sind nach hinten gerichtete Bewegungen kürzer und die nach vorn entsprechend länger. Die bislang quer verlaufende Richtungen weisen nun etwas nach vorn. Alle potentiellen Orte nach einer Kollision (auf dem Kreis) sind etwas nach vorn verlagert. Hier allerdings ist diese Verlagerung stark überzeichnet und entspräche schall-schnellem Orkan (der nur lokal ein Maximum von etwa 300 km/h erreichen kann).

Statischer / Dynamischer Druck
In diesem Bild bei G ist (per schwarzen Pfeilen) schematisch dargestellt, dass in ´ruhendem´ Gas gleichförmig nach allen Seiten hin ´statischer´ Druck existiert (z.B. messbar, wenn Teilchen an einem Druck-Sensor reflektiert werden). Bei H ist ein in Vorwärtsbewegung befindliches Teilchen skizziert, dessen seitliche Bewegungen nicht mehr rechtwinklig auf eine Gefäßwand auftreffen, womit quer zur Bewegungsrichtung geringerer ´statischer Druck´ gemessen wird. Entsprechend stärker ist ´dynamischer Druck´ in Vorwärtsrichtung gegeben (markiert durch unterschiedliche Länge der Pfeile bei H).

Je schneller die generelle Vorwärtsbewegung ist, desto stärker verlagert sich die Richtung von seitlich- zu vorwärts-weisendem Druck. Bei I ist vorige extrem schnelle Bewegung noch einmal eingezeichnet mit ihrem nochmals reduziertem statischen und erhöhtem dynamischen Druck. Diese Druckverhältnissen werden in der Strömungslehre vornehmlich diskutiert und formelhaft berechnet. Mich interessieren dagegen vorwiegend die Bewegungen und Bewegungsmuster der Teilchen selbst, beispielsweise wenn ungleich schnelle Vorwärtsbewegungen neben einander statt finden.

Diagonale Wechselwirkungen
In Bild 05.02.07 sind bei A vorige schematische Darstellungen potentieller Bewegungsrichtungen noch einmal dargestellt, oben für eine langsamere Strömung (helles Rot) und darunter für relativ schnellere Bewegung (dunkleres Rot). Oben wurden senkrechte und waagrechte Bewegungen als repräsentativ ausgewählt. Genauso repräsentativ sind diagonale Bewegungsrichtungen (jeweils 45 Grad zur waagrechten bzw. senkrechten Richtung). Bei Überlagerung durch Vorwärtsbewegung werden diese Diagonalen entsprechend weiter nach vorn weisen, wie bei B skizziert ist, wiederum für die langsame (oben) und schnellere (unten) Strömung. Diese Teilchen mit diesen potentiellen Bewegungswegen sind also repräsentativ als Bewegungstypen bzw. -muster unterschiedlich schneller Strömungen, bilden also ´durchschnittliche´ Vorgänge ab.

Bei C sind schematisch vier Kollisionen (bei den schwarzen Punkten) skizziert, welche sich aus diagonalen Bewegungen an einer Grenze (graue Linien) beider Strömung typischer Weise ergeben. Wie bei Kollisionen üblich, werden dabei die Bewegungs-Richtungen und -Geschwindigkeiten ausgetauscht. Dies entspricht den obigen Vorgängen ruhender Gase oder auch des Mischens von Gasen. Hier in diesem Grenzbereich findet eine Mischung von Bewegungskomponenten unterschiedlich schneller Strömungen statt.

Diese vier typischen Kollisionen bei C kommen zustande, indem sich beide Teilchen auf einander zu bewegen. In der Zeile darunter sind vier andere Begegnungen skizziert, bei welchen sich Teilchen in relativ gleichartige Richtung bewegen. Die Teilchen sind schematisch oberhalb und unterhalb der theoretischen Grenzlinie gezeichnet, so dass sich keine Kollisionen ergeben. Tatsächlich aber vermischen sich beide Bewegungstypen im Grenzbereich, so dass sich auch diese typische Wege real kreuzen werden.

Richtungsgleiche Kollisionen
Bei D sind beide Wege nach hinten-oben gerichtet, also gegen die generellen Strömungen und hin zur langsameren. Der untere Weg ist kürzer, so dass ein Teilchen aus der schnelleren Strömung meist nur hinter einem Teilchen der langsameren Strömung her fliegen wird ohne zwingende Kollision. Andererseits fliegen beide Teilchen ´gegen den Strom´ und werden bald wieder nach vorn gestoßen, beide wieder in relativ gleiche Richtung diagonal vorwärts.

Bei E sind beide Wege ebenfalls nach hinten gerichtet, nun aber nach unten zur schnelleren Strömung hin. Der untere Weg ist kürzer, so dass dieses Teilchen sehr wohl von einem oberen Teilchen ´gerammt´ werden kann (beim schwarzen Punkt unten). Es findet praktisch ein ´Auffahr-Unfall´ statt, beide Teilchen fliegen weiterhin gegen die Strömung, bewirken praktisch eine Verzögerung der schnelleren Strömung, bzw. drücken diese nach unten-hinten.

Bei F ist der umgekehrte Fall skizziert, indem beide Wege nach vorwärts-oben weisen. Das untere Teilchen fliegt schneller und wird das obere von hinten anstoßen. Beide Teilchen fliegen weiter in diese Richtungen und damit wird die langsamere Strömung nach oben-vorwärts beschleunigt bzw. die schnellere Strömung weitet sich aus in die langsamere hinein.

Nach mehr oder weniger frontalen Kollisionen fliegen die Teilchen weiterhin ´chaotisch´ durcheinander. Hier aber, bei diesen Kollisionen von Bewegungen in relativ gleiche Richtungen, bleiben die Teilchen auch nach den ´Auffahr-Unfällen´ weiterhin relativ dicht beisammen und fliegen gemeinsam weiter in gleichartige Richtungen. Neben Bereichen einer totalen Durchmischung mit Bewegung kreuz und quer ergeben sich also zwingend auch Bereiche, in welchen sich ganze Pulks von Teilchen nahe beieinander in ähnliche Richtungen gemeinsam bewegen.

Ohne oder verspätete Rückkehr
Der entscheidende Effekt bei benachbarten, aber ungleich schnellen Strömungen ergibt sich jedoch aus dem bei G dargestellten Bewegungsmuster (durch schwarze Linien hervor gehoben). Beide Teilchen fliegen nach vorn-abwärts, also im generellen Strom und hin zur schnelleren Strömung. Das obere Teilchen fliegt langsamer als das untere Teilchen, wird es somit nicht einholen, sondern nur hinter her fliegen. Das neue Teilchen wird widerstandslos in die schnellere Strömung aufgenommen.

In der schnelleren Strömung sind rückwärts gerichtete Bewegungen seltener und es gibt damit weniger Kollisionen und dabei werden Teilchen weniger häufig zurück geworfen. Das neue Teilchen wird überhaupt nicht mehr in die langsamere Strömung zurück gestoßen oder erst relativ spät. Dieses Teilchen fehlt damit in seinem Herkunftsbereich als Kollisionspartner oder es kommt erst verspätet zu erneuter Kollision zurück. Ein weiteres, zufällig in diese ´Leere´ gestoßene Teilchen kann auf diesem Weg folgen oder zumindest wird der Ort einer erneuten Kollision nach vorn-unten verlagert.

Diese Bewegungen entsprechen vollkommen den Abläufen, welche bei Sogbereichen statt finden (wie oben bei Bild 05.02.02 diskutiert). Auch in der schnelleren Strömung wird es obige ´Blasen relativer Leere´ geben (wie bei Bild 05.02.01 angesprochen), in welche ganze Pulks auf ähnlichen Wegen hinein fallen. Die ´neuen´ Teilchen treffen nur selten frontal auf ´alte´ Teilchen und werden darum nur selten in der Strömung zurück geworfen. Viel häufiger treten dort obige ´Auffahr-Kollisionen´ auf, so dass Teilchen relativ dicht beisammen in ähnliche Richtungen vorwärts fliegen.

Beugung zur schnelleren Strömung
Das ist Ursache und Prozess des wohl bekannten Effekts, dass benachbarte ´Stromfäden´ stets zur jeweils schnelleren Strömung hin gebeugt werden. In Bild 05.02.07 ist eine langsame Strömung (H) neben einer schnelleren Strömung (I) skizziert und die diagonalen Pfeile markieren den Weg voriger diagonalen Bewegungen. Die ´neuen´ Teile hinterlassen relative Leere, welche hier als heller Bereich (J) markiert ist.

Eine schnellere Strömung wirkt auf benachbarte langsamere Strömungen wie Sog. Es werden aber keine Teilchen ´hinein gezogen´, vielmehr fliegen ´freiwillig´ immer nur Teilchen dort hinein, wenn und weil sie aufgrund einer Kollision dorthin zufällig gestoßen wurden. Es findet aber nicht nur eine ´Beugung´ der Stromfäden statt, vielmehr werden bislang existierende ´leere Blasen´ durch neue Teilchen aufgefüllt (und diese Strömung weist nun ´höhere Dichte´ auf). Die Teilchen fliegen mit Molekulargeschwindigkeit in die Lücken, diagonal vorwärts, so dass diese Bestandteil der existierenden (Durchschnitts-) Geschwindigkeit wird. Alle Teilchen bewegen sich immer mit Molekulargeschwindigkeit, nun aber fliegen viele Teilchen in größerer Ordnung vorwärts gerichtet, so dass die Strömung tatsächlich schneller wird (was beim normalen Auffüllen eines Sogbereichs nicht eintreten kann).

Schnelle Strömung wirkt also wie ein Sog, zieht benachbarte Teilchen mit ein, in diagonaler Vorwärts-Richtung, wodurch größere Dichte entsteht, größere Ordnung und darüber hinaus eine Beschleunigung der Strömung. Am besten können sich diese Prozesse entfalten, wenn sie entlang einer gebeugten Wand (oben als schwarze Kurve markiert) statt finden.

Wasserstrahl-Pumpe
Analog dazu bzw. aufgrund dieser Effekte arbeitet jede Wasserstrahlpumpe, wie in 05.02.07 bei K schematisch skizziert ist und die natürlich genauso bei Gasen funktioniert. Die Pump-Leistung erfolgt ohne entsprechenden Energie-Einsatz, weil keine Teilchen ´hineinzuzerren´ sind, was bei Gasen ohnehin niemals möglich ist. Solche Pumpen sind tatsächlich ´Perpetuum Mobile´ in dem Sinne, dass ein energetisch höherer Level (vermehrter Durchsatz) erreicht wird ohne entsprechenden ´Energie-Verbrauch´.

Bei diesen Prozessen wird überhaupt keine Energie umgesetzt (und Betrachtungen aus Sicht der Energie-Konstanz sind darin total irrelevant). Es werden lediglich die Vektoren der molekularen Bewegung gleich gerichtet, natürlich niemals vollkommen, sondern nur relativ größere Ordnung ´organisiert´. Auch dieses Ordnung-Schaffen erfordert meist nur wenig Aufwand oder gar keinen Energie-Einsatz - weil beispielsweise jede gekrümmte Wand dazu zweckdienlich eingesetzt werden kann.

Antriebskraft der Hurrikans
Obige ´Bewegungstypen´ an den Grenzflächen unterschiedlich schneller Strömungen sind theoretische Bewegungsmuster zur Erklärung ihrer ´unglaublichen Sog-Effekte´ und autonomen Selbstbeschleunigung, wie sie beispielsweise durch Wirbelstürme offenbar werden. Auslöser tropischer Wirbelstürme ist die Verdunstung von Wasser (die den Gesetzen der Thermodynamik widerspricht, indem autonom eine Potentialdifferenz entsteht, also Entropie verringert wird). Wasserdampf ist leichter als Luft und es ergibt sich Auftrieb (der insofern interessant ist, als autonom eine Kraft entsteht, deren Vektor entgegen gesetzt zur ursächlichen Gravitationskraft gerichtet ist). Auslöser für die Rotation dieser Bewegung ist die Erddrehung bzw. ´Coriolis-Kraft´ (die keine eigenständige Kraft ist, sondern lediglich Auswirkung der Trägheit).

Da gängige Lehre die Möglichkeit von Perpetuum Mobile bzw. ´Selbstbeschleunigung´ negiert, wird die offensichtlich beschleunigte Rotation meist mit Umwandlung von Wärme in kinetische Energie erklärt. Andere Erklärungen gehen davon aus, dass statischer Druck der Umgebung in dynamischen Druck der Strömung umgesetzt wird. Das mag pauschal zutreffend sein, andererseits findet nach gängiger Lehre zwischen Bereichen unterschiedlichen Drucks sofort ein Druckausgleich statt (wie oben bei Bild 05.02.01) und nach Druckausgleich ist der Prozess beendet. Damit allein lässt sich also fortwährende Beschleunigung nicht erklären.

Der reale Vorgang basiert ausschließlich auf dem ´Sog-Effekt´ schnellerer gegenüber langsamerer Strömung, wie oben bei Bild 05.02.07 beschrieben. Durch puren Zufall fallen aus der Umgebung fortwährend Teilchen mit passendem Vektor widerstandslos in die schnellere Strömung und hinterlassen ´Leere´ in ihrem Herkunftsbereich. Es findet nur eine Auswahl der Bewegungsvektoren statt, wobei in der geordnete Strömung mehr Teilchen enger zusammen in gemeinsame Richtung fliegen können und die Strömung durch den Beitrag der neu hinzu kommenden Teilchen in Summe beschleunigt wird.

Man muss sich immer wieder die Relationen klar machen: Luft wiegt fast nichts, macht sich aber bei Orkangeschwindigkeit durchaus ´bemerkbar´. Die Bewegung der Teilchen selbst ist jedoch zehn mal schneller, auch ´ruhende´ Luft ist voller Energie, allerdings ohne ´Außenwirkung´. Wird nur ein Bruchteil der normalerweise chaotischen Bewegungen ´gleich-gerichtet´, werden riesige Kräfte nach außen wirksam - ohne dass sich dabei irgendetwas hinsichtlich der molekularen Geschwindigkeit ändert (also ohne jeden Umsatz an ´Wärme´).

Bewegung und Druck
Bild 05.02.08 zeigt oben einen typischen Hurrikan. Darunter ist ein Querschnitt gezeichnet, welcher die bekannten Luftbewegungen schematisch aufzeigt (siehe schwarze Pfeile). Das mittige Auge (D, hell markiert) hat einen Durchmesser von 10 bis 40 km, in welchem die Luft abwärts fließt, schönes klares Wetter und am Boden nahezu Windstille herrschen. In einem Ring (C) am Rand des Auges bewegt sich Luft vehement aufwärts und fließt oben auseinander (dunkelrot markiert). In diesem Bereich (B, rot markiert) herrscht starke Bewölkung mit heftigem Regen.

Das Wirbelsystem reicht wesentlich weiter hinaus (A, hellrot markiert), wobei Luft auswärts-abwärts fließt, klare Sicht und schönes Wetter gegeben sind. Am Boden entlang fließen Luftmassen zurück zum Zentrum. Diese Vorgänge sind detailliert beschrieben in obigem Kapitel. Hier jedoch sollen zwei Aspekte nochmals erwähnt werden.

Bei E ist der Verlauf des Luftdrucks etwa auf halber Höhe des Wirbelsturms schematisch dargestellt (grün). Dieser atmosphärische Druck entspricht weitgehend der restlichen darüber lastenden Luftmasse. Wo die Luft am höchsten aufgetürmt ist (zwischen B und A) wird auch der höchste Druck gemessen.

Ganz andere Ergebnisse jedoch zeigen Messungen am Boden, wie schematisch bei F skizziert ist (blau). Im äußeren Bereich (A) ist der Druck ansteigend, entsprechend zur Abwärtsbewegung der dortigen Luftmassen. Weiter einwärts (B) fällt der Druck kontinuierlich ab, weil dort die Winde zunehmend schneller zum Zentrum hin fließen (der statische Druck ist reduziert und entsprechend höher ist der dynamische Druck der Strömung).

Druck oder Dichte
Phänomenal ist ein plötzlicher Anstieg des statischen Drucks im Bereich der Aufwärtsbewegung (C), wobei dieser hohe Druck allerdings nur unten im Wirbelsystem auftritt. Nach oben und zum Zentrum hin fällt der Druck wieder auf sehr viel niedrigeres Niveau. Dieser Bereich überhöhten Drucks ist aber kein ´atmosphärischer Druck´ (Gewicht der darüber befindlichen Luftmassen plus/minus Aufwärts- oder Abwärtsbewegungen) wie bei ´normalen´ Tief- oder Hochdruckbereichen, sondern ist Ausdruck der dortigen Dichte der Luftmassen.

In Bild 05.02.09 ist bei A der Kernbereich des Wirbelsturms nochmals in größerem Maßstab skizziert. Zwei Bereiche sind darin hervorgehoben: dieser Bereich überhöhter Dichte (E, dunkelrot) sowie ein Bereich relativer Leere (D, hell) außerhalb davon, beide nur im unteren Bereich des Wirbelsturms.

Kein Wind ist eine total gleichförmige Strömung, sondern setzt sich aus einzelnen Böen zusammen, wobei die Luft lokal sehr unterschiedliche Dichte und Geschwindigkeit aufweist. Das ist makroskopische Erscheinung entsprechend oben diskutierten ´leeren Blasen´ bzw. pulk-weiser Bewegungen von Teilchen in Gasen. In solche ´Leere´ fallen die Böen, füllen diese auf, die Luftmassen prallen zusammen und werden wieder in andere Richtungen gestoßen.

In freiem Luftraum können Böen aus allen Richtungen in solche Leere fallen und jede Bö hinterlässt einen Freiraum, in welchen nachfolgende Windstösse wiederum hinein fallen können. Wenn jedoch eine Bö von oben auf den Boden auftrifft, wird sie zurück prallen nach oben - aber es können von unten keine weitere Luftmassen nachfolgen, es bleiben vielmehr wiederum leere Bereiche (D) in Bodennähe zurück. Nur von äußeren Bereichen des Wirbelwinds können diese Sogbereiche in Bodennähe aufgefüllt werden. Daraus resultieren entlang des Bodens stärkster Winde in radialer bzw. letztlich tangentialer Richtung.

Ordnungsfaktor Wand
Eigentlich müsste man erwarten, dass die radiale Strömungskomponente bis ganz ins Zentrum reicht. Meist wird argumentiert, dass die rotierenden Luftmassen aufgrund von Fliehkraft (letztlich Trägheit) wieder nach außen streben bzw. nicht weiter zusammen gedrückt werden können (aber Fliehkraft wirkt auch schon ganz außen gegen zentripetale Bewegungen). Luftteilchen bewegen sich chaotisch und fliegen immer nur bis zur nächsten Kollision. Luft insgesamt bewegt sich dort hin, wohin die Teilchen am längsten ohne ´schädliche´ Kollision (gegen die Strömungsrichtung) fliegen können. Trägheit spielt nur insofern eine Rolle, als Teilchen zwischen Kollisionen geradeaus und konstant schnell fliegen. Trägheit von ganzen Luftmassen - gibt es nicht (und das ist wirklich so).

In diesem Bild bei B sind die schematischen Bewegungstypen aus obigem Bild 05.02.07 nochmals dargestellt, mit Blick von oben auf die Strömung. Links von der gedachten Grenze (graue Linie) ist ein Teilchen der langsamen, rechts davon ein Teilchen der schnelleren Strömung skizziert. Die vorwärts-einwärts gerichtete Bewegung (F) des ´langsamen´ Teilchens bewirkt prinzipiell die Beschleunigung der schnellen Strömung, die rückwärts-einwärts gerichtete Bewegung (G) drückt die schnelle Bewegung zusammen.

In diesem Bild bei C ist ein senkrechter Schnitt durch die Strömung dargestellt, wobei sich ein Teilchen nah beim Boden (schwarz) befindet. Voriger Druck (G) in Richtung Zentrum wird natürlich nicht nur waagrecht übertragen, sondern auch schräg-aufwärts oder schräg-abwärts (markiert durch Pfeile). Die abwärts gerichteten Bewegungen werden am rauhen Boden reflektiert, so dass dieses Teilchen anschließend aufwärts-zurück fliegen wird (markiert durch Pfeil H). In diesem Bereich sind ´leere Blasen´ weitgehend aufgefüllt, so dass diese rückwärts gerichtete Bewegung zu Kollisionen (I) in rascher Folge führt, die radiale Bewegung praktisch abgeblockt wird.

Wiederum muss man bedenken, dass selbst bei den dortigen enormen Geschwindigkeiten die Teilchen neun Wegstrecken kreuz und quer, hin und her, auf und ab gehen - bevor sie einen ´Schritt´ in generelle Strömungsrichtung voran kommen. In diesem Gewirr wird die zentripetale Richtung abgeblockt und viele Teilchen schwirren auf engem Raum, was als enormer Druckanstieg messbar wird. Dieser ´Druck´ kann sich nur entspannen, indem Teilchen nach oben entweichen, die dichte Luftmasse praktisch ´explodiert´.

Windhose
Am Boden eines Hurrikans bildet sich um das Auge ein ringförmiger ´Sperr-Riegel´ aus verdichteter Luft. Die Erdoberfläche tritt als ´Ordnungsfaktor´ auf (wie oben genannte Wand), zuletzt aber als bremsendes Element. Das Auftreten dieser Sperre bzw. eines Auges ist nicht zwingend - sofern das Wirbelsystem frei vom Boden drehen kann.

Das Gegenstück zu Wirbelsturm bzw. Hurrikan sind Windhose bzw. Tornado, fünf Beispiele dazu zeigt Bild 05.02.10. Die Windhose links ist voll ausgebildet, aus der Gewitterwolke reicht ein ´Schlauch bzw. Rüssel´ herunter bis zur Wasseroberfläche. Natürlich ist dieser Schlauch nur der sichtbare Teil des Systems und auch um diesen herum bewegt sich Luft in zentripetaler wie tangentialer Richtung.

Andererseits kann eine Windhose nur wenige Meter dünn, aber Kilometer hoch sein. Am unteren Ende des Rüssels treten enorme Kräfte auf und werden selbst schwere Gegenstände hoch gerissen. Hier beispielsweise wird Wasser durch den Rüssel nach oben ´gesaugt´, aber es ist auch klar vorige ´Explosion´ über der Wasseroberfläche zu erkennen. Solang also keine ´Wand´ das Wirbelsystem beeinflusst, gibt es keine Sperrzone, sondern einen kompakten Wirbel praktisch ohne Auge. Nur an der Wasseroberfläche stiebt die dortige dichte Luftmasse auseinander.

Umgekehrt zum Hurrikan entstehen Tornados aus lokalen Drehbewegungen innerhalb von Gewitterwolken. Von dort aus wachsen sie nach unten aus der Wolke heraus, wie die Bilder rechts eindrucksvoll zeigen. Wasserdampf, Wärmedifferenzen und entsprechende Turbulenzen in Gewitterwolken sind sehr wohl Auslöser dieser Erscheinung, andererseits entstehen Windhosen spontan auch aus ´trockenen´ Luftbewegungen. Für das Wachsen und die Selbstbeschleunigung solcher Wirbelsysteme ist wiederum ausschließlich der ´Sog schneller Bewegung´ entscheidend.

Sog scheibenweise
Eine Windhose startet immer aus drehender Bewegung, die durchaus rein zufällig zustande kommen kann. In Wolken herrscht oberhalb und rund um solcher Bewegungskerne viel Turbulenz, so dass von dort aus kein kontinuierlicher Zufluss in den Wirbel hinein entstehen kann. Nur aus relativ ruhigen Luftschichten unterhalb der Wolke kann der Beschleunigungs-Effekt in Gang kommen.

In Bild 05.02.11 ist die anfängliche Drehbewegung in Form einer roten Scheibe schematisch dargestellt (von schräg unten gesehen). Die Luft darunter ist als blaue Scheibe skizziert. Diese könnte anfangs auch vollkommen bewegungslos sein, aber dennoch würden Teilchen daraus zufällig schräg-aufwärts in die Drehbewegung hinein ´verschwinden´ (siehe diagonale blaue Pfeile). Der nachfolgende Prozess entwickelt sich wie oben beschrieben. In die nun ebenfalls drehende Luftschicht (blau) wird wiederum von unten Luft (grün) ´eingesaugt´, jeweils im Drehsinn aufwärts.

Auf den sich entwickelnden Schlauch drückt nun auch die Luft aus der Umgebung, so dass dieser radial zusammen gedrückt und zugleich weiter beschleunigt wird (schwarze Pfeile an der grünen Scheibe). Diese schematische Darstellung erklärt theoretisch das Wachstum und die Selbstbeschleunigung dieser Wirbelmuster, deren reale Bewegung und Entwicklung aus obigen Bildern augenscheinlich sind.

Im Prinzip wirkt der gleiche ´Sog schneller Bewegung´ genau wie oben geschildert. Hier befinden sich allerdings die ´Stromfäden´ unterschiedlicher Geschwindigkeit untereinander im Raum. Die Stromfäden verlaufen in geschlossenen Kreisen bzw. aufgrund der generellen Aufwärtsbewegung spiralig aufwärts. Ein Tornado basiert also auf gleichem Prinzip wie voriger Hurrikan, weist aber auch spezielle Eigenschaften auf - warum ich diese Wirbelform als dritte Form des Sog-Effekts beschrieb.

Die fortgesetzte Beschleunigung mit letztlich gewaltigen Kräften ergibt sich daraus, dass Geschwindigkeitsdifferenzen im gesamten Volumen des Wirbelsystem gegeben sind, von jedem einzelnen dünnen Stromfaden zum jeweils benachbarten. Überall fallen Teilchen zufällig in eine Richtung, aus der sie nie wieder oder nur verspätet zurück kehren, so dass überall ihre molekulare Geschwindigkeit mit passendem Vektor Teil der Gesamtströmung wird. Es gibt also keine ´äußere Beschleunigungs-Kraft´, die Selbstbeschleunigung kommt aus dem gesamten Volumen des Wirbelsystems selbst. Diese selbst-organisierende Systeme wachsen und ´leben´ aus ihrer inneren Struktur heraus (solang sie nicht von außen beeinflusst werden und letztlich in sich zusammen fallen).

Noch ein letztes Mal: Es findet keinerlei Energie-Umwandlung statt wie bei üblicher Technik (die darum an Energie-Konstanz gebunden ist). Es findet kein Energie-Gewinn statt (wenngleich diese geordneten Strömungen technisch sehr wohl genutzt werden, aber noch wesentlich konsequenter zu nutzen wären). Der einzige Vorgang ist, dass Vektoren gegebener Bewegungen etwas gleichförmiger geordnet werden. Diese Prozesse verlaufen autonom - weil nicht alle Kollisionen immer Bewegungen in alle Richtungen gleichermaßen ergeben, sondern viele Kollisionen innerhalb Strömungen in ähnlicher Richtung erfolgen und weniger ´schädlich´ gegen die allgemeine Strömung ausfallen.

05.03. Potential-Drall-Rohr Fluid-Technologie - Grundlagen