spiraleTEIL D

WIRBELSTRÖMUNG (II)


Hier folgt nun eine alphabetische Liste der unterschiedlichsten Ausdrucksformen des physikalischen Geschehens:


Abflußstrudel sind ein tägliches Phänomen - überall dort, wo es Wasser gibt und einen Abfluß. Die Drehung wird nach dem Ziehen des Stöpsels schneller und schneller, Wasser von der Oberfläche wird gleichzeitig mit Wasser vom Gefäßboden abgesogen, es existiert eine starke Sogwirkung mit anhaltendem Schlürfgeräusch. Die Gesetze des ,normalen Auftriebs' werden außer Kraft gesetzt.

Beschleunigungsspirale: Auf einer spiralförmigen Starteinrichtung namens ,Slingatron' sollen Satelliten auf so hohe Geschwindigkeiten gebracht werden, daß sie eine Umlaufbahn erreichen. Das Prinzip stammt vom Hula-Hoop-Reifen, der durch geschickte Hüftbewegungen zum Kreisen gebracht wird. Wenn in dem hohlen Reifen eine Kugel steckt und die kreisende Bewegung des Reifens beschleunigt wird, dann rast die Kugel immer schneller durch ihn hindurch. Da im geschlossenen Reifen aber eine Öffnung zum Einsetzen und Herauslassen von Objekten fehlt, wählten die Forscher die Form einer Spirale. Der Satellit wird auch dann beschleunigt, wenn die Welle mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit durch die Spirale rotiert, weil sich der Radius der Kreisbewegung laufend erhöht. (142)

Chimneys sind zylindrische Wasserkörper von etwa 15 km Durchmesser, die im Meer bis in Tiefen von 2.000 m vorkommen, sie gelten als ,Tornados im Ozean' - drehen sich allerdings viel langsamer als ihre atmosphärischen Verwandten.

Über die DNS-Spirale habe ich schon in Teil A gesprochen, hier will ich nur noch darauf hinweisen, daß die DNS mehrfach spiralig gewunden ist und damit einen Rekord in der Datendichte pro Raumeinheit erreicht.

Eddies sind Wasserwirbel, die die Meeresoberfläche ausbeulen. Sie können einen Durchmesser von mehreren 100 km haben.

Elektromagnetisch-hydrodynamische Wirbel ist der (übersetzte) japanische Name für Phänomene wie Kornkreise, die ja mit z.T. schon fast überirdisch schönen Strukturen aufwarten - und zumeist auch in Form von Spiralen. Der Physiker Terence Meaden, Direktor der Circles Effect Research Unit (CERES), geht davon aus, daß für die Entstehung der Kornkreise ein Plasma-Vortex verantwortlich ist. (143)

Fibonacci-Reihe: Spiralförmig erfolgender Zuwachs der Reihe 1, 2, 3, 5, 8, 13 ... die nachfolgende Zahl besteht immer aus der Summe der beiden vorangegangenen. Theodore Andrea Cook beschäftigte sich schon 1914 in seinem phantastischen Buch The Curves of Life mit dieser Reihe - wie auch Le Corbusier bei seinem Entwurf des ,Modulor', einer helixartigen Ideal-Maßeinheitsnorm, für die er neben der Fibonacci-Reihe auch noch den ,Goldenen Schnitt' verwendete. Aneinandergesetzt kann man in die Skalen eine vollkommene logarithmische Spirale einzeichnen. (144) 

Hochspannungs-Luftwirbel wurden bereits 1970 von R. T. Ryan beim Unternehmen Arthur D. Little Inc. erzeugt, um die Gründe für die abnormal hohe Energiekonzentration in Wirbeln zu ermitteln. Dabei erwies es sich, daß ein Wirbel im Labor durch elektrische Erwärmung und unter bestimmten Randbedingungen erzeugt und auch erhalten werden kann, da die Wirbel- und Hochspannungs-Entladungskombination ein stabiles, verträgliches System darstellt; der Wirbel stabilisiert die Entladung, welche wiederum den Wirbel durch die elektrische Energie antreibt. (145)

Hurrikan ist ein weiterer - tropischer - Name für Tornados (s.d.). In den Wolkentürmen lokaler Gewitterzellen steigt warme, feuchte Luft auf, kondensiert in höheren Schichten und setzt dabei ihre Wärme frei. Über der Wasseroberfläche fällt der Luftdruck, mehr feuchte Luft strömt in das Gewittersystem, wodurch sich dieses selbst verstärkt und dabei mehrere Millionen Megawatt Energie entwickelt. (146)

Jetstream wird eine Art waagrechter Wirbelsturm genannt, der ca. 300 - 400 km breit ist und in mehreren Kilometern Höhe verläuft. Er wird manchmal auch ,Strahlstrom' genannt.

Karikatur Stöpsel-ziehen mitten im See

Klosettwirbel nenne ich ihn der Einfachheit halber. Es ist zu beobachten, daß das Wasser im Becken ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit zu kreiseln beginnt. Dies findet allerdings nur statt, wenn eine ausreichende Wassermenge auf die Grundfläche drückt, oder wenn das Spülwasser tangential zugeführt wird. Die Verwirbelung saugt das Becken leer, trotz des ,Knies', das sich beim gradlinigen Durchströmen bremsend bemerkbar machen würde.

Luftwirbel gibt es in allen Größen. Kleine, die auf staubigen Straßen tanzen, etwas größere und dann noch ganz unangenehm große - ihre Namen lauten Staubteufel, Windhose, Windschere, Wirbelsturm, Zyklon usw. Bei ihren Bewegungen werden die Gesetze des freien Falls außer Kraft gesetzt, die kleineren heben Blätter auf, die größeren schon Zeitungen, und die ganz großen... (s. Tornado).

Ein Mahlstrom entsteht durch die Gezeiten als wirbelartige Meeresströmung. Der große Malström bei den Lofoten in Norwegen wurde von Edgar Allan Poe mitreißend beschrieben (Im Strudel des Maelstroms). Die Strömungsgeschwindigkeit kann in bestimmten Phasen über 20 Stundenkilometer betragen.

Magnetwirbel sind ebenfalls ozeanisch. Das amerikanische Forschungsschiff Pisco soll sich 17 Stunden lang im Kreise gedreht haben. (147)

Mäander entstehen durch längslaufende Wirbel im fließenden Wasser, die den Strom zum ,Schwingen' bringen und den Flußlauf bestimmen. Es gibt auch unterseeische Mäander, die von Meeresströmungen gebildet werden und bis zu 400 km weit ausschwingen können. Manchmal lösen sich die bis zu 200 km durchmessenden Wirbel und treiben mit einer Kreisströmung von bis zu 10 km/h selbständig dahin. (148)

Mesokalische Wirbel existieren in den Ozeanen, haben zwar nur Durchmesser von 100 - 200 km, dafür dauern sie aber auch bis zu 6 Monaten an. (149)

Rauchring, der aus dem Vulkan Ätna aufsteigt

Rauchringwirbel über
dem Ätna (Christoph Keller)

Photophorese wird die durch Lichteinwirkung verursachte Bewegung von kleinsten Materieteilchen (z.B. Staubteilchen) genannt, die in Schrauben- oder Kreiswendelbahnen der regelmäßigsten Form, Größe und Umlauffrequenz erfolgt und auch im Hochvakuum beobachtbar ist. Es gibt eine lichtpositive und eine lichtnegative Photophorese - die erste pflanzt sich in Richtung der Lichtquelle fort, die zweite bewegt sich in entgegengesetzter Richtung. An Stellen stärkerer Lichtkonzentration können sich die Umlaufbahnen verengen oder die Wendelabstände verändern. Zu der Bewegung auf einer Schraubenlinie kommt oft noch die Rotation der Teilchen um die eigene Achse hinzu. Aus Schraubenbewegungen konnten dabei Zentripetalkräfte errechnet werden, welche die Schwerkraft 130fach übertreffen. (150) Auch in einem kontrahierten Elektronenstrahl bewegen sich die Elektronen in Wendelbahnen.

Ringwirbel ist ein anderer Name für eine Struktur, die uns allen in ihrer ,makroskopischen' Form gut bekannt ist: in der Form des Rauchrings. Schon Mitte der 70er hatte ich Gelegenheit, einem Versuch beizuwohnen, bei dem ein Rauchring eine Kerze ausgeblasen hat, die in über 20 m Entfernung stand. Mir kam es nicht so vor, als würde der Ring mit der Zeit langsamer durch die Luft segeln - und als er mich erreichte (ich durfte die Kerze halten) spürte ich die Masse des Ringes wie einen leichten Schlag gegen die Brust. Andere Experimentatoren hätten festgestellt, daß der Rauchring eine Kältespur hinterläßt. Übrigens können Delphine präzise Luftringe blasen, mit denen sie unter Wasser spielen - ebenso wie Wirbelringe aus reinem Wasser, die nur sie erzeugen und zu orten vermögen. (151)

Sandwirbel sind kleine Wirbel mit bis zu 50 m Durchmesser, deren Lebenszeit sich meist nur auf wenige Minuten erstreckt.

Schraubenlinie ist die alte deutsche Bezeichnung der Spiralform. Sie drückt auch besser die Bewegungskomponente der Spirale aus: "Ohne die Schrauben- oder Spiralbewegung könnte im Universum nichts bestehen und fortschreiten. (...) Es hat also die Schraube oder jede Spirallinie den Zweck, eine vorwärtstreibende Bewegung hervorzubringen; sie hat den Trieb nach vorwärts in ihrer Form begründet." (152)

Spiralgalaxis ist der Name jener riesigen Systeme, zu denen auch unsere Milchstraße (wir mit eingeschlossen) zählt. Etwa 80 % aller Galaxien in beobachteter Umgebung weisen eine Spiralstruktur auf. Da man weiß, daß die Spiralarme nicht durch die Anziehungskraft des Galaxienkerns zusammengehalten werden können, wird angenommen, daß Supernovae der stabilisierende Faktor für die 30 bis 100 Milliarden Jahre Lebensdauer der Spiralgalaxien sind. (153) Hier abgebildet ist die Spiralgalaxis M 101, die etwa 25 Millionen Lichtjahre entfernt ist.

Ein Spinar samt ,Magnetfeldschleuderprozeß' soll der Kern von Quasaren sein. Nahe lichtschnelle Abstrahlung von Elektronen, durch Magnetfelder auf Spiralbahnen gezwungen, erzeugt sekundäre Abstrahlung von Energie in Form elektromag­netischer Wellen. (154)

Solle entstehen durch abfließendes Gletscherwasser und haben die Form von Strudellöchern oder kleinen Rundseen.

Sonnenflecken erscheinen als dunkle Stellen, sind in Wirklichkeit aber nicht anderes als spiralförmig nach außen wirbelnde Gasstrudel, die Tausende von Millionen Quadratkilometer bedecken können. (155)

Das Spinnennetz ist auch eine Spirale, meist mit logarithmischen Maßen - und bei Fischen in einem (vernetzten) Schwarm werden die präzisen Abstände zwischen den einzelnen Tieren von den Wirbeln bestimmt, die jeder Fisch im Wasser verursacht und die von den ,Seitenlinien' genannten Sinnesorganen seiner unmittelbaren Nachbarn wahrgenommen werden. (156)

Die Szintillation, also das Funkeln der Sterne, deutet auf eine Wirbelbewegung hin: Es handelt sich um eine, durch kleine, periodisch schnell veränderliche Wirbel in der Erdatmosphäre ausgelöste geringe Dichteschwankung der Luft, die ein Interferieren des vom Stern ausgesandten Lichtes verursacht. (157)

Tornado mit Blitz

Nächtlicher Tornado

Tornado ist die Bezeichnung für Wirbel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 500 m, denen oft eine Energieleistung der Kraft mehrerer tausend Wasserstoffbomben nachgesagt wird. Früher nannte man sie ,Finger Gottes'. Der entstehende Sog (der allem Wirbelgeschehen gemeinsam ist) ist hier so stark, daß Züge, Menschen und Häuser hochgerissen werden. Die kleineren trichterförmigen Luftwirbel werden Tromben genannt, es gibt sie auch als Wasser- oder Sandhosen. Große Tornados wirken auf den Betrachter wie folgt: "Da ist unten auf der Erde eine graue, braune oder sandfarbene Wolke, und oben am Himmel steht eine dunkle Wolke. Dazwischen ist etwas, das heult und donnert und aussieht wie ein sich drehendes, gekrümmtes Tau und doch nichts anderes ist, als ein Schlauch unheimlich schnell rotierender Luft." (158).

Was dieses Geschehen noch interessanter macht ist die Beobachtung, daß das ruhige Auge des Tornados ein von Blitzen durchzucktes Rohr ist. Im Zentrum des Wirbelsystems ist die Energiedichte am höchsten, hier wirkt der stärkste Sog. Den vermutlich ersten Tornado-Simulator (mit Trockeneisdampf) stellte Theodore Fujita Ende der 70er an der University of Chicago her. Als der Hurrikan Andrew 1992 über Florida hinwegfegte, beobachtetr Fujita erstmals das bis dato unbekannte Phänomen der ,Superwinde', die auf engstem Raum und mit Geschwindigkeiten bis zu 320 Stundenkilometern entlang der Wand von Andrews ,Auge' kreisten, während der Orkan selbst ,nur' 245 km/h erreichte. Dabei stellte er auch fest, daß sich viele von Andrews Tochter-Tornados im Uhrzeigersinn gedreht haben und nicht gegen denr Uhrzeigersinn, wie sonst die meisten Tornados auf der nördlichen Hemisphäre. (159) Tornados wurden übrigens ganz famos in dem 1996 erschienenen Film ,Twister' dargestellt!

Turbulente Statistik: Rund 100 Jahre nach der thermodynamischen Statistik und 50 Jahre nach der Quantentheorie revolutionierte die turbulente Statistik als dritte Quelle des Zufalls die Physik. (160)

Vortex-Atom (oder Ringwirbelatom) wird das Konzept mehrerer Physiker, einschließlich James Clerk Maxwell, bezeichnet, die aus heuristischen Gründen bevorzugten, das Atom nicht als Newtonsche Billardkugel, sondern als einen Rauchring oder Wirbel anzusehen. Denn erst das Vortex-Atom ermöglichte eine Erklärung des Universums, die nicht völlig deterministisch war. Descartes hatte sich bereits 1644 vorgestellt, daß sich alle Materie des Universums in Strudeln oder Wirbeln dreht, und daß die Wirbel auch den grundlegenden Mechanismus des Weltbildungsprozesses liefern. Der deutsche Physiker Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz wies dann 1858 sogar nach, daß die Struktur eines Ringwirbels in einer idealen, reibungslosen Flüssigkeit beliebig lange erhalten bleibt. (161)

Wasserhosen von bis zu 500 m Durchmesser und 1.000 m Höhe sind keine Seltenheit. Ein Flugzeug soll 1963 einen ungeheuren wirbelnden Wasserkegel von einer halben bis einer Meile Durchmesser beobachtet haben, der halb so hoch wie breit war (162). Übrigens wechseln diese Wirbel auch manchmal ihre Substanz, d.h. Windhosen werden über einer Wasserfläche zu Wasserhosen und umgekehrt.

Wirbel - Die größten Wirbel sind sehr beständig, enthalten aber nicht die größte kinetische Energie. Diese besitzen die nächst kleineren Wirbel. Die kleinsten Wirbel wiederum verlieren ihre Kraft durch Dissipation - wobei Energie von kleinen in größere Wirbel gelangen kann. Diese ,Energieumkehr' spielt in Meteorologie, Ozeanographie und Astrophysik wahrscheinlich eine entscheidende Rolle (163). Die wichtigste Eigenschaft geschichteter Flüssigkeiten ist ihre Fähigkeit, Energie in Wellenform zu transportieren. Während in einer Welle aber fast keine Materie transportiert wird, sondern nur Energie, trägt ein Wirbel sowohl Materie als auch Energie mit sich.

Mit Wirbel-Elektron bezeichnet Wilhelm M. Bauer die Grundstruktur seiner Wirbelphysik. (164)

Wirbelringe (s. Ringwirbel)

Wirbelschleppe

Wirbelschleppe

Wirbelschleppen werden die sehr gefährlichen Wirbel bezeichnet, die hinter Flugzeugen herziehen und schon mehrfach für Unfälle bei nachkommenden Maschinen sorgten (165). Das Foto stammt aus einer Serie der NASA, bei der die Ausbreitung von Wirbelschleppen untersucht wurde. Ich hoffe mal, daß der rote Farbstoff biologisch abbaubar war...

Wirbelspulen: Rotierende Propellerflügel erzeugen Sog auf ihrer Vorderseite und Druck auf ihrer Rückseite. Der Druckunterschied gleicht sich an den Flügelrändern unter Wirbelbildung aus. Die mit dem Propeller rotierenden Randwirbel formen eine Wirbelspule, in deren Kern der Propellerstrahl entsteht. Einen ähnlichen Effekt erzeugt der aufgefingerte Vogelflügel.

Wirbelstraßen finden sich hinter von Luft oder von Wasser angeströmten Körpern und bestehen aus abschwimmenden oder abtrudelnden Wirbeln. In der Fachliteratur nennt man diese Erscheinung ,Karmansche Wirbelstraße'. Hinter Hochhäusern erstrecken sie sich manchmal über mehrere Kilometer, wobei in ihrem Bereich die Luftverschmutzung besonders hoch steigt, da in diesem Fall ein Austausch durch frische Umgebungsluft sehr erschwert ist. (166)

Wirbelströme verursachten 1975 alleine in Deutschland Verluste von etwa 100 Mio. DM. Sie treten überall dort auf, wo Elektrizität erzeugt wird. Mit Hilfe von Silizium wird versucht, durch das Heraufsetzen des spezifischen Widerstandes der Bleche bei Generatoren (wo die Verluste auftreten) diesen Energieverlust zu vermindern. (167)

Wirbelstürme werden oftmals als ,Sicherheitsventile' der Natur betrachtet, um überschüssige Hitze zu ,vernichten', indem es sie in Bewegungsenergie umwandelt (s. Tornados). Zu ihrer Entstehung über dem Meer sind Wassertemperaturen von mindestens 26,3°C erforderlich, ihr Durchmesser beträgt zwischen 500 und 1.000 km, und die durchschnittliche Aufwärtsströmung beträgt 8 m/s. Außerdem entstehen sie nur ab 5° nördlicher bzw. südlicher Breite, jedoch niemals am Äquator selbst - ein weiteres Indiz für den Einfluß der Corioliskraft. Die oberste Schicht des Ozeans, über die ein Wirbelsturm wandert, nimmt in ihrer Temperatur um etwa 2°C ab. Bei dem Gesamtprozeß wird Wärmeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt, allerdings nur mit einem Wirkungsgrad von 3%. Wirbelstürme habe eine große funktionsphysikalische Ähnlichkeit mit dem Synergetischen Modell und können möglicherweise zur Erklärung von dessen Funktion beitragen.

Wirbeltheorien - davon gibt es diverse, die erste wissenschaftliche war wohl die von Christiaan Huygens, mit der er 1669 versuchte, die Gravitation zu erklären. Auch Gottfried Wilhelm Leibniz entwickelte 1689 eine ,harmonische Wirbeltheorie'. Der Begriff Wirbelvektor wurde dann um 1736 von Leonhard Euler und Jean le Rond d'Alembert geprägt. Maxwell nutzte Wirbel 1861 als mechanisches Modell für seine elektromagnetische Theorie, und Lord Kelvin entwickelte ab 1869 die Theorie, daß die Eigenschaften der Atome und Moleküle durch das Verhalten von Ringwirbeln (s.o.) gedeutet werden können. Gegen Ende des Jahrhunderts mußte Lord Kelvin zugeben, daß das natürliche Schicksal der Wirbel letztlich Instabilität und Zerfall ist. Diese Eigenschaften sind jedoch unvereinbar mit einem Atommodell. Mit dem Aufkommen der modernen Physik starb der damals letzte Versuch, die Struktur der physikalischen Welt mit einem mechanistischen Wirbelmodell zu deuten. Neuere Wirbeltheorien gibt es u.a. von Carl Friedrich Freiherr von Weizsäcker, der diese 1943 für die Entstehung von Planetensystemen entwickelte. Weitere Stichpunkte sind Rotons (Quantenwirbel), die von Landau und Feynman eingeführt wurden, sowie die Beschreibung von Quarks und Leptonen durch flußquantisierte rotierende Elementarringe durch Jehrle. (168)

Wirbelvektor (s. Wirbeltheorien)

Zyklone und Antizyklone sind Gebiete tiefen bzw. hohen Luftdrucks mit Durchmessern von 1.000 - 2.000 km. In unseren Breiten und auf der gesamten nördlichen Halbkugel wird ein Hochdruckkern im Uhrzeigersinn umströmt, ein Tiefdruckkern entgegengesetzt. Zwischen diesen beiden Verwirbelungen (Vorticity) ergibt sich eine starke, einheitlich ausgerichtete Luftströmung. (169)


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