Warum fliegen Frisbees?

Person wirft eine Frisbeescheibe

kieferpix/iStock

Eine Frisbeescheibe kann lange durch die Luft schweben – das hat im Wesentlichen zwei Gründe: Erstens ist die Scheibe gewölbt und zweitens versetzt man sie durch den Wurf in Rotation. Die Wölbung bewirkt einen Sog nach oben, und die Rotation hat beim Fliegen einen stabilisierenden Effekt.

Die gewölbten Plastikscheiben fliegen schon eine ganze Weile in der Gegend herum. Den Anfang machten die Kuchenformen einer Bäckerei in den USA namens „Frisbie Pie Company“, deren Flugeigenschaften auffällig gut waren. Seit Ende der 1950er-Jahre vermarktete eine andere Firma ähnlich geformte Scheiben unter dem Namen „Frisbee“.

Gleich mehrere physikalische Effekte ermöglichen, dass eine Frisbeescheibe so lange und weit durch die Luft schweben kann. Zunächst einmal ist eine Frisbeescheibe gewölbt. Strömt die Luft über diese Wölbung, entsteht ein Auftrieb wie bei einem Flugzeugflügel. Die Ursache hängt mit dem sogenannten Bernoulliprinzip der Strömungsphysik zusammen. Oberhalb der Scheibe bewegt sich die Luft schneller als an der Unterseite. Denn der Weg an der Oberseite ist durch die Wölbung länger. Dadurch herrscht über dem Frisbee ein geringerer Luftdruck als darunter und es entsteht ein Sog nach oben [Details siehe Kasten unter dem Text].

Infografik. Frisbeescheibe und Pfeile zur Darstellung der Luftströmung.

Flug der Frisbeescheibe

Doch dieser Effekt reicht noch nicht aus, um die Frisbeescheibe längere Zeit in der Luft zu halten. Verleiht man ihr beim Wurf nämlich keine Rotation, beginnt sie sofort zu flattern und fällt rasch zu Boden. Typischerweise dreht sich die Scheibe achtmal pro Sekunde, wenn sie die Hand verlässt. Die träge Rotation einer Masse bezeichnen Physiker als Drehimpuls. Der Drehimpuls ist eine Erhaltungsgröße und garantiert einen stabilen und ruhigen Flug, denn er dämpft zufällige Störungen der Rotationsbewegung. Greift eine kippende Kraft an dem Flugobjekt an, wird sie gewissermaßen abgelenkt, was ein Kippen verhindert. Der gleiche Effekt hilft übrigens, dass ein Kreisel bei Störungen immer wieder in die aufrechte Rotation zurückkehrt.

Dieser Effekt lässt sich durch die Form einer Frisbeescheibe noch verstärken: Eine breite „Krempe“ am Rand erleichtert nicht nur das Fangen der Scheibe, durch sie ist auch mehr Gewicht am Außenrand konzentriert. Diese Masseverteilung erhöht den Drehimpuls des Frisbee zusätzlich – und führt damit zu mehr Stabilität. Außerdem sorgt die Krempe für eine Art Fallschirmeffekt. Fliegt die Scheibe langsam, dann sinkt sie ganz gemächlich zu Boden, weil sie dem Fall einen großen Luftwiderstand entgegensetzt.

Zu guter Letzt besitzen viele Frisbeescheiben konzentrische Rillen auf der Oberseite, die einen besonders raffinierten Zweck haben: Sie wirken dem sogenannten Strömungsabriss entgegen, der vor allem bei Flugzeugen gefürchtet ist. Über den Tragflächen entstehen bei diesem Phänomen große Luftwirbel, wodurch die Geschwindigkeit der Luft stark sinkt. Infolgedessen reduziert sich der erwünschte Aufwärtssog. Das kann sogar zum Absturz führen. Die Rillen auf der Frisbeescheibe lassen kleine turbulente Luftströme auf der Oberfläche entstehen. Über diese kleinen Wirbel hinweg strömt die Luft deutlich besser und die Luftströmung, die den Auftrieb erzeugt, reißt nicht so leicht ab.


Das Gesetz von Bernoulli

In idealisierten Flüssigkeiten und Gasen, in denen keine Reibung auftritt, bleibt die Summe aus Staudruck, statischem Druck und Schweredruck immer konstant – so lautet das Gesetz von Bernoulli.

Der Staudruck ist der durch die Geschwindigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases entstehende Druck, wenn die Flüssigkeit oder das Gas von einem Gegenstand aufgestaut wird. Diesen Druck spürt man zum Beispiel, wenn man mit den Füßen in einen strömenden Bach steigt oder wenn man die Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos streckt.

Der statische Druck ist ein allseitiger Druck, der von der Teilchenbewegung in Flüssigkeiten oder Gasen hervorgerufen wird. Er nimmt zu, wenn die Temperatur ansteigt. Denn die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Geschwindigkeit der Teilchen, aus denen sich eine Flüssigkeit oder ein Gas zusammensetzt.

Der Schweredruck entsteht durch die Gravitationskraft desjenigen Teils einer Flüssigkeit oder eines Gases, der sich über dem Punkt befindet, an welchem der Druck gemessen wird. Der Luftdruck ist zum Beispiel der Schweredruck der Luftsäule über unseren Köpfen.

Wie die verschiedenen Drücke in strömenden Flüssigkeiten und Gasen zusammenhängen, erkannte und formulierte erstmals der Schweizer Physiker Daniel Bernoulli im 18. Jahrhundert – ausgehend von der Energieerhaltung der Newtonschen Mechanik.

\(\frac{1}{2}\rho v^2+p_{s}+p_{g}=const.\)

wobei \(\rho\) die Dichte und \(v\) die Geschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases ist, \(p_{s}\) der statische Druck und \(p_{g}\) der Schweredruck. Im Fall der Frisbeescheibe lässt sich die Gleichung vereinfachen, weil die Luft horizontal um das Objekt herumströmt. Dadurch ist der Schweredruck überall nahezu gleich groß. Die anderen beiden Drücke aber verändern sich auf dem Weg der Luftteilchen. Über der Frisbeescheibe ist der Staudruck wegen der höheren Geschwindigkeit größer als davor oder dahinter – und damit ist der statische Druck entsprechend kleiner. Diese Druckminderung entspricht dem Sog, der bewirkt, dass die Frisbeescheibe so lange in der Luft bleibt.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/frisbee/