Teilchen bewegen sich geordnet durch turbulente Strömungen

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Wirbel in einer turbulenten Strömung weniger chaotisch sind als gedacht

Tetraeder aus Polystyrolteilchen
Tetraeder aus Polystyrolteilchen

Göttingen/Lyon (Frankreich) - Verrührt man Milch in einer Tasse Kaffee, so erscheinen die Bewegungen der Flüssigkeiten ungeordnet. Doch dieser Eindruck täuscht. Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und der Ecole Normale Supérieure de Lyon verfolgten Teilchen, die sich in einer turbulenten Flüssigkeit bewegten, und entdeckten, dass diese sich immer gleich ausrichten.

Um die turbulenten Strömungen aus der Perspektive eines mitschwimmenden Partikels zu untersuchen, beleuchteten die Forscher Polystyrolteilchen in Wasser mit einem sehr hellen Laser. Die Bewegung der Teilchen nahmen sie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit 30.000 Bildern pro Sekunde auf. Für die Messung suchten sich die Wissenschaftler ein Polystyrolteilchen aus, das mit drei anderen einen Tetraeder bildete, und beobachteten, wie sich dessen Form in den Wirbeln des Wassers veränderte. Sie fanden heraus, dass der Tetraeder eine Art Pirouette vollbringt: Zunächst rotiert er um eine Achse, wird dann von der Strömung gestreckt und richtet schließlich seine Drehachse in die Streckrichtung der Wasserströmung aus, wodurch er sich schneller dreht. Ähnlich wie bei einem Eiskunstläufer, der sich auf dem Eis dreht und die Arme anwinkelt, rotiert der Tetraeder umso schneller, je schmäler er ist.

Die Forscher konnten diesen Pirouetten-Effekt auf mehreren Größenskalen nachweisen: Wirbel mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern bis hin zu einigen Millimetern zeigten den Effekt. Turbulente Strömungen verhalten sich also sehr wohl geordnet. Außerdem bekräftigen die Wissenschaftler mit ihren Erkenntnissen das Modell der Energiekaskaden, wonach größere Wirbel in kleinere zerfallen, indem sie sich schneller drehen und dadurch instabil werden. Die kleinen Wirbel zerfallen wieder in kleinere, bis sie so klein sind, dass ihre gesamte Bewegungsenergie durch Reibung in Wärme umgewandelt wird.

Grund für den Pirouetten-Effekt ist die Drehimpulserhaltung. Je weiter eine Masse von der Drehachse entfernt ist, umso größer ist der Widerstand, den sie der Drehung entgegensetzt. Deshalb dreht sich ein schmaler und gestreckter Körper schneller als ein gestauchter Körper. Warum allerdings der Drehimpuls trotz der Wirbel erhalten bleibt, wissen die Forscher nicht. Mit ihren Ergebnissen haben sie aber einen wichtigen Schritt hin zum Verständnis der Turbulenzen getan um solche Vorgänge im Computer leichter zu simulieren. Dadurch ließen sich zum Beispiel Wolkenbildungen besser verstehen und in Klimamodellen anwenden.