Warum pfeift der Wind?

Welt der Physik: Was ist Wind eigentlich – physikalisch betrachtet?

Manuel Keßler: „Die Sonne strahlt auf die Erde und trifft dort auf unterschiedliche Oberflächenstrukturen, also etwa auf das Bodenrelief, den Bewuchs oder die Bebauung. Dadurch wird Energie unterschiedlich stark aufgenommen, sodass sich die Luft lokal unterschiedlich erwärmt. Die Temperaturunterschiede führen zu Unterschieden im Luftdruck. Und um diese auszugleichen, beginnt die Luft, sich zu bewegen – und zwar von Gebieten mit höherem zu solchen mit niedrigerem Luftdruck. So entsteht Wind.“

Und wann beginnt er zu pfeifen?

„Wind kann diesen Ton immer dann auslösen, wenn er über die Oberfläche von Körpern strömt und dabei regelmäßige Wirbel erzeugt, die wiederum Luft in Schwingung versetzen. Das kann zum einen an der Kante von Hohlräumen wie Löchern oder Rillen geschehen: Hier entstehen Wirbel, die den Luftdruck im Hohlraum fortlaufend verändern. Diese Druckschwankungen sind Schallwellen. Sie versetzen die Luft in Schwingung – und es entsteht ein Ton. Das Phänomen lässt sich beispielsweise erleben, wenn wir über die Öffnung einer Flasche blasen.

Zum anderen ruft Wind insbesondere dann pfeifende Geräusche hervor, wenn er um zylindrische Körper herumbläst, zum Beispiel einen Fahnenmast, einen Schornstein oder eine Hochspannungsleitung. Auf deren Rückseite entstehen dann nämlich regelmäßige Luftwirbel, die sich links und rechts ablösen. Man nennt dieses strömungsmechanische Phänomen auch Kármánsche Wirbelstraße, weil es der Physiker Theodore von Kármán 1911 erstmals beobachtet hat. Diese Wirbel erzeugen einerseits Schwankungen des Drucks, die wir als Ton wahrnehmen, und andererseits auch Kräfte, die den Körper zum Schwingen bringen können.“

Kármánsche Wirbelstraße

Die Geräuschkulisse bei windigem Wetter kann sehr vielfältig sein – von Rauschen in Bäumen über tieferes Heulen bis hin zu schrillem Pfeifen. Wie kommt diese breite Palette zustande?

„Entscheidend sind die Eigenschaften der Luftwirbel hinter einem Hindernis: Regelmäßige Wirbel lassen den Luftdruck periodisch schwanken und erzeugen so Schallwellen einer bestimmten Frequenz. Sehr hohe und besonders gleichmäßige Töne ergeben das bekannte Pfeifen, aber ebenso können durch die Verwirbelungen auch tiefe Töne entstehen. Gezielt zunutze macht man sich dieses Phänomen bei Musikinstrumenten, wie etwa Flöten oder Orgelpfeifen: Auch hier entstehen die Töne durch Luftströmungen. Schwingt die Luft hinter einem Objekt dagegen unregelmäßig – beispielsweise wenn Wind auf einen Baum trifft –, dann nehmen wir das eher als Rauschen wahr.“

Bei Musikinstrumenten sind Töne ja durchaus erwünscht, im Fall von Schornsteinen und anderen Bauwerken kann man darauf sicher verzichten. Wie lässt sich das erreichen?

„Generell versucht man, unnötige Hohlräume und scharfe Kanten an Bauwerken zu vermeiden, damit die Luft einfach vorbeiströmt und möglichst keine problematischen Verwirbelungen entstehen. Es gibt aber auch gezielte Maßnahmen: Hohe Schornsteine sind beispielsweise gelegentlich von einer Spirale umgeben, um die Luftströmungen zu brechen und die Bildung regelmäßiger Wirbel zu verhindern, die unter Umständen gefährliche Kräfte hervorrufen können. Auch Autoantennen sind mitunter mit einer solchen Spirale umwickelt. Hierbei geht es aber mehr um das Entstehen von Tönen als um die Stabilität.

Denn manchmal gerät ein umströmter Körper selbst in Schwingungen, was durchaus gefährlich werden kann. Wechselwirkungen zwischen Wind und Körper können dieses Phänomen dann noch verstärken – und zu ernsthaften Schäden führen. Ein Beispiel ist die Tacoma Narrows Bridge, eine Hängebrücke im Nordwesten der USA, die 1940 kurz nach ihrer Fertigstellung durch Wind in starke Schwingungen versetzt wurde, die sich immer weiter verstärkten, bis der Bau einstürzte.“

Lassen sich die von Wind hervorgerufenen Effekte für ein bestimmtes Hindernis inzwischen genau vorhersagen, um solche Extremfälle, aber auch unerwünschte Geräusche schon im Vorfeld auszuschließen?

„Ja, die Form – beispielsweise die Ausmaße eines Hohlraums oder der Durchmesser eines zylindrischen Körpers – beeinflusst die Frequenz der erzeugten Luftschwingungen in einer ganz bestimmten Weise. Mithilfe von Computersimulationen lassen sich die Strömungsverhältnisse für Bauwerke, aber auch für andere Objekte daher gut vorhersagen und das Design entsprechend anpassen. Ein prominentes Beispiel sind Flugzeuge: Um störende Verwirbelungen, hohen Luftwiderstand und unerwünschte Schwingungen zu vermeiden, wird die Form der Maschine möglichst strömungsgünstig gestaltet.“