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Strömungslehre – Einleitung

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Die Autor/-innen
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André Otto
Strömungslehre – Einleitung
lernst du in der Oberstufe 6. Klasse - 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Beschreibung Strömungslehre – Einleitung

Die Strömungslehre

Die Strömungslehre oder Fluidmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit dem Verhalten von Fluiden beschäftigt. Wie ihr Untersuchungsgebiet genau definiert ist, lernst du im Folgenden.

Strömungslehre – Definition

Die Strömungslehre untersucht das statische und dynamische Verhalten von Fluiden.

Ihre Erkenntnisse finden in vielen Bereichen Anwendung. Hast du zum Beispiel schon einmal einen Windkanal gesehen? In so einem Aufbau wird getestet, wie Luft an Autos oder Flugzeugtragflächen vorbei strömt – das ist eine Anwendung der Strömungslehre. Auch bei Wind oder Meeresströmungen wie dem Golfstrom handelt es sich um strömende Fluide. Und sogar in der Medizin spielt die Strömungslehre eine wichtige Rolle – denn auch Blut ist ein Fluid.

Bevor wir etwas näher auf die Teilbereiche der Strömungslehre eingehen, wollen wir zunächst der Frage nachgehen, was ein Fluid überhaupt ist.

Fluide – Einführung

Als Fluide bezeichnet man in der Physik Substanzen, die bestimmte Eigenschaften aufweisen. Eine dieser Eigenschaften steckt schon im Namen: sie fließen. Das Wort Fluid kommt nämlich ursprünglich aus dem Lateinischen und bedeutet so viel wie fließend. Physikalisch ausgedrückt bedeutet das Folgendes:

Die Teilchen von Fluiden lassen sich durch Druck- und Schubkräfte leicht gegeneinander verschieben.

Eine weitere wichtige Eigenschaft, die Fluide charakterisiert, ist ihre Formlosigkeit: Im Gegensatz zu Feststoffen besitzen Fluide nämlich keine feste Form, sondern nur ein bestimmtes Volumen:

Fluide haben keine feste Form. Befindet sich ein Fluid in einem Gefäß, kann es dessen Form annehmen. Dabei kann das Gefäß jede beliebige Form vorgeben.

Ein Spezialfall sind gasförmige Fluide. In einem Gefäß nehmen sie immer das gesamte ihnen zur Verfügung stehende Volumen ein.

Fluide – Beispiele

Nachdem wir nun die Eigenschaften von Fluiden kennengelernt haben, wollen wir ein paar Beispiele aufzählen. Allgemein zählen alle Gase und Flüssigkeiten zu den Fluiden. Die Fluide, die dir im Alltag am häufigsten begegnen, sind vermutlich Wasser und Luft. Die Fließeigenschaften von Wasser kannst du am Wasserhahn beobachten oder wenn du es in deinem Glas umher schwenkst – durch die wirkenden Kräfte kann sich das Wasser so stark bewegen, dass es das Gefäß teilweise verlässt. Du siehst aber auch ohne Schwenken, dass das Wasser zwar stets dasselbe Volumen einnimmt, sich aber immer der Form des Glases anpasst, das du benutzt. Ob das Glas eckig, rund oder wie eine Vase geformt ist, spielt keine Rolle. Das Wasser passt sich der Form an. Luft nimmt immer den gesamten ihr zur Verfügung stehenden Raum ein – in deinem Zimmer gibt es keine Ecke, in der plötzlich keine Luft mehr ist.

Ein weiteres Beispiel für Fluide sind Öle, wie zum Beispiel Olivenöl. Auch diese fließen. Aber du kennst das vielleicht schon vom Kochen: Olivenöl fließt langsamer als Wasser. Das liegt daran, dass es dickflüssiger ist. Der Fachbegriff für das Fließverhalten von Fluiden ist die Viskosität. Je größer die Viskosität ist, desto dickflüssiger oder zäher ist ein Fluid. Olivenöl hat also eine höhere Viskosität als Wasser.

Es gibt auch Fluide, deren Viskosität extreme Werte annimmt. Flüssiges Helium hat unter bestimmten Bedingungen beispielsweise gar keine messbare Viskosität mehr und bei Teer ist die Viskosität so hoch, dass es sich wie ein Feststoff verhält – obwohl es ein Fluid ist.

Feststoffe als Fluide

Manche Feststoffe können sich unter bestimmten Bedingungen auch wie Fluide verhalten. Ein bekanntes Beispiel ist sehr feiner Sand, in den Luft geblasen wird. Auch Suspensionen, also in Flüssigkeiten verteilte Teilchen, verhalten sich wie Fluide.

Strömungslehre – Grundlagen

Kommen wir zurück zur Strömungslehre. Wir hatten schon festgehalten, dass sich die Strömungslehre bzw. Fluidmechanik mit dem statischen und dynamischen Verhalten von Fluiden beschäftigt. Wir können damit zwei Teilgebiete der Fluidmechanik definieren und zwar die Fluidstatik und die Fluiddynamik.

Fluidstatik

Die Fluidstatik beschäftigt sich mit Fluiden, die in Ruhe sind, sich also nicht bewegen. Je nachdem, ob eine Flüssigkeit oder ein Gas beobachtet wird, kann man die Fluidstatik noch in die Bereiche Hydrostatik (Flüssigkeiten) und Aerostatik (Gase) unterteilen.

In der Hydrostatik wird zum Beispiel der hydrostatische Druck untersucht, der beim Tauchen aber auch für Prozesse in den Sternen wie der Sonne wichtig ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Hydrostatik ist der statische Auftrieb, der dafür sorgt, dass Schiffe schwimmen können.

In der Aerostatik werden zum Beispiel Größen wie der Gas- oder Luftdruck oder die Dichte untersucht. Anwendung findet sie unter anderem bei Heißluftballonen oder der Untersuchung der Atmosphäre.

Fluiddynamik

Die Fluiddynamik beschäftigt sich mit Fluiden, die sich bewegen. Auch die Fluiddynamik kann in die Hydrodynamik (Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Gase) unterteilt werden. In beiden Fällen werden Strömungen, Wirbel (Turbulenzen) und der dynamische Druck untersucht. Anwendung findet die Fluiddynamik zum Beispiel bei der Entwicklung von Flugzeugen und Autos, bei der Untersuchung vom Blutfluss oder allgemein beim Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch Rohrsysteme.

Dieses Video

In diesem Video erhältst du einen kurzen Überblick über die Strömungslehre. Du erfährst, was Fluide sind und welche Größen in der Strömungslehre untersucht werden.

Transkript Strömungslehre – Einleitung

Herzlich willkommen meine Damen und Herren! Ich begrüße Sie hier zu dem 1. Video aus der Reihe "Strömungslehre". Es geht heute um eine Einleitung. Man kann Strömungslehre auch als Fluiddynamik bezeichnen und da sind wir schon bei Fluiden und Strömungslehre. Ich möchte eine gängige Definition für Strömungslehre angeben und dort werden wir gleich sehen, dass wir eine Menge Fragen zu klären haben. Die Strömungslehre untersucht das statische und dynamische Verhalten homogener Fluide. Ja, was sind nun Fluide? Ich habe einige mitgebracht. So eine Flüssigkeit oder auch so eine Flüssigkeit, so eine. So, dann - ist das ein Fluid? Das ist kein Fluid. Ist das ein Fluid? Ist auch kein Fluid unbedingt. Ist das ein Fluid? Na ja, auch nicht. Aber ein Fluid ist das hier. Ja? Das ist ein Fluid. Und das ist ein Fluid. Fluide zeichnen sich durch bestimmte Eigenschaften aus. Ich habe hier eine Übersicht zusammengestellt. Bei den Feststoffen könnte man nennen: Kitt, Zahnpasta, Harze, Talg, trockenen Sand, Fette, Zementschlamm, Kautschuk, Latex, Polyethylen, Treibsand, Kleister, Silicone, PVC-Pasten, nassen Sand und Stärke. Ja, und bei den Flüssigkeiten beziehungsweise den Substanzen, die zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten liegen, zählen auf alle Fälle Ketchup dazu, Majonäse, Klebstoffe, Kleister und bei reinen Flüssigkeiten Stärke in Wasser, Arzneimittel, Druckerschwärze und die einfachen habe ich genannt - die findet man in der Aufzählung hier gar nicht. Bei Gasen: Stäube und Gase. Also ist offensichtlich nicht jeder Feststoff dazu geeignet, sondern nur zerkleinerte Feststoffe. Irgendwie müssen sozusagen die Fluide deformierbar, verformbar sein, damit man überhaupt von einem Fluid sprechen kann. Ja, und ich möchte einmal aufschreiben, um welche Eigenschaft es sich da nun handelt. Die Teilchen von Fluiden lassen sich durch Druck- und Schubkräfte leicht verschieben. Ganz klar - Druck- und Schubkräfte, auch dank der Erdanziehung meiner Bewegung. Dann haben wir also das geklärt, was ein Fluid ist. Wir können dieses nicht tun bei diesem Stab zum Beispiel oder bei dem Füllfederhalter. Ja? Das ist zu fest. Und nun ist die Frage: Was sind Fluide? Nun ja, da gibt es dann so eine Definition: Fluide sind homogene formlose Körper. Und nun sind wir beim nächsten Begriff, beim Begriff des Homogenen. Was heißt nun homogen? Na ja, homogen heißt gleich verteilt, und als ich einmal diese Vorlesung gelesen habe, fragte die Studenten: "Was ist das?" Ich konnte das auch nicht finden und habe es versucht, so zu erklären: Ich habe die Substanz, irgendeine, nehmen wir auch eine Flüssigkeit, spielt jetzt keine Rolle. So, und nehme mir einen bestimmten Punkt vor, raumfixiert. Und dort gilt eine bestimmte statische Eigenschaft. Statische Eigenschaft könnte was sein? Zum Beispiel die Dichte, also 1g/cm³. So, und ich setze jetzt den Gradienten dieser Dichte an bezüglich irgendeiner Richtungsveränderung. Ne? Das kann ich ja machen. Ja, und wenn ich diesen Gradienten jetzt ansetze: Gradienten von, nehmen wir mal wirklich die Dichte ρ, und die auch nicht allgemein, sondern ρ. Dann stelle ich eben fest, dass der Gradient 0 ist. Oder auch anders gesprochen, man muss es nicht so kompliziert sagen: Diese statische Eigenschaft, die Dichte, ist an allen Punkten des Raumes gleich. Ne?  Ich habe mir überlegt, ob diese Definition vielleicht etwas zu streng ist für Homogenität, denn sie schließt eine andere Eigenschaft ein, nämlich sie sagt, dass ihr System isotrop ist. Ne? Es gibt auch anisotrope Verbindungen, fällt mir jetzt dazu nur Graphit ein. In der einen Richtung wird der Strom geleitet, in die andere nicht. Ist an sich aber homogen. Zumindest ist aber diese Definition richtig.  So, und da sind wir nun jetzt angekommen bei dem Unterrichtsgebiet der Strömungslehre. Es geht um Fluide und es geht um deren statische und dynamische Eigenschafen. Ja, und wenn wir uns vielleicht mal überlegen, statische und dynamische Eigenschaften. Ich nehme homogen hier oben mal weg. Das brauchen wir jetzt nicht mehr. Dann können wir uns mal überlegen, was das sein könnte. Also wir haben die Eigenschaften und da hätten wir einmal statische und einmal dynamische. Statt einer exakten Definition ein einfaches Beispiel: Eine statische Eigenschaft der Dichte von unserem Wasser wäre 1g/cm³. Da ist also völlig egal, wie sich das Wasser bewegt. Dichte = 1g/cm³, ρ. Ja, und eine dynamische Eigenschaft, ganz einfach, tja, eine Idee - Fließgeschwindigkeit, natürlich, wenn es fließt. Und da könnten wir ganz einfach angeben V=2m/s. So, und damit sehen wir schon einen großen Unterschied zwischen statischen und dynamischen Eigenschaften, nämlich ganz einfach den, dass statische Eigenschaften gleich sind oder zumindest einfacher definiert werden können unter bestimmten Bedingungen, während bei den dynamischen Eigenschaften nur eigentlich viel mehr Spielraum ist. Das stellt kein Charakteristikum für ein Fluid dar. Und damit soll's mit der Einführung reichen. Ne? Wir können sagen, Fluide sind homogene Systeme, das heißt jetzt also verteilt. Man sagt auch eine Phase. Man kann sagen, Druck- und Schubkräfte können sie verändern. Ja? Und sie sind natürlich verformbar. Und eine Aufzählung habe ich hier angebracht. Wir haben also alles von Kitt, Zahnpasta und so weiter und so weiter, trockener Sand, Pasten, nasser Sand, Stärke, Majonäse, Klebstoffe, Farben, Druckerschwärze bis zu Stäuben und Gasen. Und ich denke, das sollte für eine Einführung reichen.  Wer noch nie was davon gehört hat, für den ist es vielleicht zu viel. Wer aber Bescheid weiß, sagt: "Ist alter Käse!" Aber wir müssen ein bisschen korrekt sein und deswegen fange ich auch mit einer Einführung an. Ne? Also dann, bis zum nächsten Mal - tschüss!

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. Tolles Video! Habe lange darauf gewartet und es hat sich gelohnt :-)
    Ist wirklich gut erklärt und ich hoffe auf eine Fortsetzung.
    Mein Ziel ist es bis an die Navier-Stokes Gleichungen vorzudringen, da diese ja das Kernstück der Strömungslehre bilden, wenn sie auch mathematisch deutlich anspruchsvoller werden.
    Weiter so!

    Von Anonymxx88xx, vor mehr als 10 Jahren
  2. Guter Einstieg,
    wann darf man mit einer Fortsetzung rechnen?

    Von Selachii, vor fast 11 Jahren
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