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Die Helmholtzschen Wirbelsätze

(Ellen Diermayer)

Hermann von Helmholtz (1821-1894) fand drei bemerkenswerte Sätze über Wirbel:
  1. Ein Wirbelfaden hat kein freies Ende innerhalb eines Fluids. Er ist entweder geschlossen oder endet an einer Begrenzung des Fluids, sei es an einer Gefäßwand oder an der Wasseroberfläche.
  2. Bei Abwesenheit von Reibung kann ein Wirbel weder erzeugt noch vernichtet werden.
  3. Die Zirkulation T ist für jeden beliebig geschlossenen Weg, der den Wirbel einmal umläuft, konstant: 
Aus dem ersten Helmholtzschen Wirbelsatz folgt also, daß ein Wirbel entweder als Wirbelring (siehe Rauchring; Abb. 1) in sich geschlossen ist, oder daß ein Wirbel an einer Flüssigkeitsoberfläche beginnt und an dem Gefäßboden endet und nicht mitten in einer Flüssigkeit anfängt oder endet.

Abb. 2: Entstehung von Rauchringen

Aus dem zweiten Helmholtzschen Wirbelsatz läßt sich ableiten, daß in einer reibungsfreien Flüssigkeit keine Wirbel entstehen können. Sie bilden sich deshalb stets in Folge von Reibungsvorgängen, entweder in der Grenzschicht zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (z.B. Tintentropfen in stehendem Wasser) oder durch eine direkt am Hindernis haftende Flüssigkeit. Dies läßt sich bei folgendem Fall beobachten: Wird aus einem Rohr, das sich im Wasser befindet, stoßartig Farbflüssigkeit ausgestoßen, so nimmt die Farbflüssigkeit zuerst Pilzform an. Später rollen sich die Ränder allmählich ein und bilden somit einen Wirbelring (siehe Abb. 2).

Abb. 3: Entstehung eines Wirbelringes

Auch Nichtraucher können Rauchringe herstellen, indem sie einen Blumentopf mit einer Plastiktüte als Membran überziehen. Nun wird Rauch in den Topf geblasen und wenn man auf die Mebran sanft schlägt, werden aus dem Loch Rauchringe ausgestoßen.

Eine Flüssigkeit muß, um Wirbel bilden zu können, eine innere Reibung besitzen, oder es müssen Reibungskräfte zwischen der Flüssigkeit und einem festen Körper vorhanden sein. Durch den dritten Helmholtzschen Wirbelsatz lassen sich die verheerenden Ausmaße von Tornados erklären. Wenn sich der Wirbel nämlich einschnürt, seine Fläche verkleinert, nimmt seine Winkelgeschwindigkeit zu. Tornados/Wirbel werden also immer schneller, je kleiner ihr Durchmesser ist.


Hendrik Hoeth
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