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Experimente sind die Grundlage aller Forschung. Experimente können verblüffen und überraschen, sie können überzeugen, aber auch enttäuschen. Leonardo-Experimentator Sascha Ott wird einmal im Monat das Radio-Studio zum Labor machen und erstaunliche Phänomene hörbar machen. Warum funktioniert die Welt so und nicht anders? Und wird das Experiment gelingen?

Eine spannende Reportage führt nach jedem Experiment raus aus dem Studio-Labor an die Orte, wo das Phänomen im Alltag genutzt wird. Wissenschaft hautnah, spannend und informativ!

Diesmal wird hörbar gemacht, in welche Art Gefäß das Meiste hineinpasst!

Folge 15: Magische Anziehung  oder  Warum das Flugzeug abheben kann

Bei einem normalen Passagierflugzeug sind die Flügel auf der Oberseite hochgewölbt und unten vergleichsweise gerade. Die Luft strömt daher schneller entlang der Oberseite als unten. Diese schnelle Strömung sorgt oben für einen stärkeren Unterdruck als unter der Tragfläche. Es ergibt sich eine saugende Kraft nach oben. Ein Flugzeug hängt eher in der Luft als das es getragen wird.

Stößt man im Alltag auf rätselhafte Vorgänge, bei denen Dinge scheinbar wider die Natur in Bewegung geraten, dann hat man gute Chancen, wenn man als Erklärung vermutet: Da muss Bernoulli seine Finger im Spiel haben. Denn der Bernoulli-Effekt bringt immer wieder verblüffende Phänomene hervor und ist an vielen Stellen relevant, an denen Gase oder Flüssigkeiten, Luft oder Wasser in schneller Strömung sind. Der Schweizer Physiker und Mathematiker Daniel Bernoulli war Spross einer Gelehrtenfamilie, die bis in die heutige Zeit hinein namhafte Wissenschaftler hervorbringt. Im 18. Jahrhundert entdeckte er – aufbauend auf den Arbeiten des Italieners Giovanni Battista Venturi – einen Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums und Druckverhältnissen an den umströmten Begrenzungen, der zu den grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Strömungsdynamik gehört.

Bernoulli lässt Ballons quietschen

Den Bernoulli-Effekt kann man auf viele unterschiedliche Weisen im Experiment erleben. Im LEO-Labor haben wir drei ausgewählt, die den Effekt auch akustisch veranschaulichen. Das einfachste und im wahrsten Sinne kinderleichte Experiment benötigt nur einen Luftballon. Man pustet den Ballon auf, zieht dann die Öffnung breit, sodass die Luft langsam durch einen dünnen Schlitz entweicht. Ein jaulender Quietschton wird hörbar, mit dem Kinder ihre Eltern mit Vorliebe zum Wahnsinn treiben. Die Ausführung ist einfach, die Erklärung deutlich schwieriger. Also betrachten wir das Experiment Schritt für Schritt: Wenn keine Luft aus dem Ballon kommt und man die Öffnung breit zieht, entsteht ein schmaler Spalt, wie ein Paar leicht geöffneter Gummilippen. Bläst man den Ballon auf und lässt die Luft ausströmen, dann ist eigentlich anzunehmen: Die aus dem Ballon herausdrängende Luft drückt die breit gezogene Ballonöffnung auseinander. Aber das Gegenteil geschieht: Die „Gummilippen“ werden zusammen gedrückt. Die Öffnung wird also verschlossen und für einen Moment strömt keine Luft aus. Durch die Rückstellkraft des Gummis gehen die „Lippen“ wieder in Ausgangsposition und bilden wieder einen schmalen Spalt. Die Luft kann also wieder strömen und die Lippen werden erneut aufeinander gepresst. Der sehr schnelle Wechsel dieses Öffnen und Schließens erzeugt dann einen Ton. Entscheidend ist also ein im Grunde verblüffender Effekt: Die durchströmende Luft drückt den Spalt nicht auf, sondern zieht ihn zusammen – der Bernoulli-Effekt.

Schnelle Strömung, niedriger Druck

Allgemein formuliert sagt der Bernoulli-Effekt: Eine schnelle Strömung erzeugt einen Unterdruck. Strömt Wasser schnell an einem Spalt vorbei, dann saugt ein Unterdruck Luft durch diesen Spalt. Das ist das Prinzip der Wasserstrahlpumpe. Und dieses Prinzip wirkt auch beim quietschenden Luftballon: Die Luft strömt durch den Schlitz. Dabei entsteht ein Unterdruck, der die Gummiwände der Öffnung zueinander zieht. Anschaulich vergleichen lässt sich das vielleicht mit einem Türspalt, durch den ein schneller Luftzug pfeift: Der Durchzug lässt die Tür zuschlagen. Bei einem anderen Experiment kann man den Vorgang genauer beobachten als beim schnell flatternden Luftballon: Man legt zwei leere Getränkedosen längs nebeneinander im Abstand einer Daumenbreite. Dann pustet man kräftig zwischen die Dosen. Auch hier würde man eigentlich erwarten, dass der Luftstoß die Dosen auseinander treibt, aber das Gegenteil tritt ein: Die Dosen rollen aufeinander zu. Dass der Effekt nicht nur mit Luft, sondern auch bei strömendem Wasser funktioniert, macht ein weiteres Experiment deutlich und auch hörbar. Lässt man zwei Löffel lose herabhängen mit den gewölbten Seiten zueinander gewandt und dann aus einem Wasserhahn Wasser zwischen ihnen hindurchströmen, dann schlagen die Löffel klappernd aneinander.

Unterdruck lässt Flugzeuge abheben

Aber der Bernoulli-Effekt ist nicht nur gut für verblüffende Unterdruck-Phänomene des Alltags, sondern auch von praktischer Bedeutung. Am deutlichsten wird das wohl beim Fliegen. Die genauen Abläufe, die für den Auftrieb eines Flugzeugs sorgen, sind kompliziert und vom Zusammenwirken verschiedener Faktoren abhängig. Aber der Bernoulli-Effekt spielt in jedem Fall eine nicht unwichtige Rolle. Bei einem normalen Passagierflugzeug sind die Flügel auf der Oberseite hochgewölbt und unten vergleichsweise gerade. Die Luft strömt daher schneller entlang der Oberseite als unten. Diese schnelle Strömung sorgt oben für einen stärkeren Unterdruck nach Bernoulli als unter der Tragfläche. Es ergibt sich eine resultierende Kraft nach oben. Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Tragfläche gewölbt ist. Kleinere Flugzeuge haben symmetrische Tragflächenprofile. Diese sind dann allerdings etwas gekippt, sodass die Vorderseite etwas höher liegt als das hintere Ende. Der resultierende Effekt ist der gleiche.

Bernoulli lässt grüßen

Und hier abschließend noch ein paar verblüffende Phänomene des Alltags, die ihre Ursache im Bernoulli-Effekt haben: Wenn ein Motorrad einen Lastwagen überholt, dann strömt zwischen ihnen ein schneller Luftzug. Dieser Luftstrom sorgt für einen Unterdruck, der den Motorradfahrer zum Lkw hinzieht. Wenn wir uns mit dem Regenschirm durch einen kräftigen stürmischen Schauer kämpfen, dann klappt uns auch dann manchmal der Schirm um, wenn wir ihn eigentlich gegen den Wind gesenkt halten. Der Wind bläst oben über den Schirm, ein Unterdruck entsteht, der Schirm wird hoch gesaugt. Nach diesem Prinzip ist der Wind auch in der Lage, Dächer abzudecken. Und zum Schluss noch einen Bernoulli für die Gartenarbeit: Füllt man Wasser aus einem Schlauch in eine Gießkanne und hat am Ende des Schlauchs eine Spritzdüse montiert, dann kann man den Unterdruck-Effekt auch spüren. Öffnet man die Düse nur sehr wenig, so dass das Wasser fast quer zur eigentlichen Schlauchrichtung austritt und hält man dann die Düse dicht an den Boden der Gießkanne, dann wird die Düse an den Boden herangesaugt. Achten Sie einfach einmal darauf, wenn Ihnen scheinbar rätselhafte Druck- und Saugeffekte begegnen. Immer wieder gilt: Bernoulli lässt grüßen!

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