Hier habe ich einige Beispiele ausgewählt, wo Wirbel in der Natur oder in der Technik zu finden sind. Bitte rechts im Menu anklicken.

Wirbel in der Natur

Sichtbare Wirbel

Die bekanntesten Wirbel in der Natur sind natürlich Tornado, Hurricane (auf der nördlichen Halbkugel), sowie Taifun (südliche Halbkugel), die offenbar an Stärke und Zerstörungskraft zunehmen und jedes Jahr in der Hurricanesaison die Schlagzeilen beherrschen. Wirbelsturm Katrina hat 2005 New Orleans in eine Geisterstadt verwandelt, riesige Landstriche verwüstet und einen Teil der Erdölförderkapazität der USA im Golf von Mexiko über Monate lahm gelegt. Es gibt eine interessante Webseite, auf der Wissenschaftler ihre Arbeiten zur Ursachenforschung dokumentieren (www.tornadoproject.com). Die bieten auch DVDs mit einmaligen Bildern an.Bei uns weniger bekannt sind kleinere Wirbel über dem Wasser, s.g. Twister.Von den Wetterkarten kennen wir die Hochs und Tiefs, die je nach Jahreszeit das Wetter bestimmen.Es gibt noch viel größere Wirbel (Galaxien), die auch mal ein paar hunderttausend Lichtjahre Durchmesser haben, aus Milliarden von Sonnen bestehen, und wo uns die Kräfte, die das Ganze zusammen halten, nicht im entferntesten bekannt sind.In der Natur gibt es darüber hinaus noch eine Vielzahl von Lebensformen, in denen Wirbel sichtbar werden (Tiere und Pflanzen), bei deren Bildung offenbar die gleichen Gesetzmäßigkeiten wirken.Nicht zuletzt haben wir alle schon mal fließendes Wasser beobachtet, in der Badewanne, beim Teeausschenken, beim Wasserlassen, wo eben kein runder oder flacher Strahl entsteht, sondern etwas wirbelt, eine umlaufende Struktur zu sehen ist, die dem Strahl einen erstaunlichen Zusammenhalt verleiht. Weitere Beispiele werden wir noch zusammentragen.

Unsichtbare Wirbel

Wasser und Luft sind voll davon, wir werden uns noch davon überzeugen.Der wohl bekannteste und wichtigste Wirbel ist m.E. der Golfstrom. Wie sonst kann Wasser über eine Entfernung von x-tausend Kilometer durch den Atlantik ‘düsen’, ohne in alle Himmelsrichtungen zu zerstieben und sich aufzulösen? Hier liegt ein schönes Experimentierfeld.

Tiere und Pflanzen

Das Problem der bremsenden Wirbel wie beim Flugzeug haben die Vögel auf superelegante Art gelöst. Sie fliegen mit einigen Gramm Fett als Treibstoff über Zehntausende von Kilometern. Wer aus der Konstruktion (Oberflächenbeschaffenheit) und Bewegung der Flügel lernt, kann gewaltige Mengen Treibstoff einsparen. Ähnliches gilt für die Bewegung unter Wasser. Starre Rümpfe mit Propellern wie bei Schiffen und U-Booten erzeugen Wirbel, die die Vortriebsenergie vernichten. Wale wie auch alles andere Getier im Wasser sind in der Lage, beim Schwimmen nicht nur kaum Wirbel zu erzeugen, wahrscheinlich können sie sie sogar für den Vortrieb nutzen.Die Bachforelle jedenfalls steht im reißenden Gebirgsbach bewegungslos(!) auf der Stelle und flieht bei Gefahr mit großer Geschwindigkeit gegen den Strom. Diese Eigenschaft muss allerdings auch was mit der Wassertemperatur und -verteilung zu tun haben, denn wenn man stromaufwärts warmes Wasser in den Bach schüttet, kann sich die Forelle nicht mehr an ihrem Standort halten und wird fortgespült. Ein höchst interessantes Phänomen ist auch die Tatsache, dass Forellen und Lachse in Wasserfällen senkrecht aufsteigen können, und das gleich über Dutzende von Metern. Laichen doch diese Fische am Oberlauf von Flüssen, die in ihrem Verlauf oft mehrfach aus großer Höhe in die Tiefe stürzen.Über eine Kante fließendes fallendes Wasser spult sich offenbar in einen großen Wirbel ein – jeder Wirbel besteht aus zwei Wirbeln – und im inneren (aufsteigenden) Wirbel wird der Fisch mitgerissen?! Hier würden sich Versuche lohnen, die Gesetzmäßigkeiten aufzuklären, denn Biologie und Physik haben sich bisher noch keine Gedanken zu diesem Thema gemacht oder gar eine Erklärung hierzu geliefert. Das Odinshühnchen, ein Wasservogel, hat eine interessante Technik entwickelt, um an sein Futter zu kommen. Es erzeugt mit den Füßen einen Wirbel, der bis zum Grunde des Gewässers – seines Lebensraumes – reicht, und dreht sich dabei einmal pro Sekunde um die eigene Achse. Von dort befördert dieser Wirbel die am Boden liegenden Substanzen an die Wasseroberfläche, von denen sich das Odinshühnchen ernährt. Aufgepasst: Man kann also im Wasser einen Wirbel erzeugen und damit etwas von unten nach oben transportieren! Und das, ohne viel Energie einzusetzen.

Viele Tiere und Pflanzen bilden Formen aus, die exakt Wirbel förmig bzw. spiralig oder hyperbolisch sind. Hier als Beispiele ein Schneckenhaus aus heutiger Zeit und ein versteinerter Abdruck.

Bild: Schneckenhaus

Bild: Ammonit

Die Kuduantilope trägt speziell geformte Hörner, die Viktor Schauberger auf seine Erfindung mit dem Doppeldrallrohr brachten. Das Horn ist hohl und hat einen Tropfen förmigen Querschnitt. Das reizt natürlich zum Experimentieren.

Bild: Kuduhorn

Bild: Kuduhornquerschnitt

Wirbel in der Technik

Nützlich oder unnütz, das ist hier die Frage.

Nützliche Wirbel

Windhexe

Ein schönes Beispiel für die Nutzung von Wirbeln liefert uns der Amerikaner Frank Polifka, der in jahrelangen Versuchen eine Art Zyklon gebaut hat, in dem er mit der Kraft des Wirbels bemerkenswerte Effekte erzeugt. Er verwandelt die ekligsten Abfälle nur mit Druckluft in trockenes Pulver! Was seine Maschine noch kann, siehe unter: www.vortexdehydration.com.

Bild: Die Windhexe von F. Polifka

Staubsauger

Der britische Ingenieur James Dyson hat um 1985 herum einen Tüten losen Staubsauger entwickelt, der die staubhaltige Luft in einer Wirbelkammer reinigt, übrigens ein altes und gleichzeitig zukunftsträchtiges Prinzip. Die angesaugte Luft wird tangential in einen zylinder- oder eiförmigen Behälter gesogen und durch die Stirnseiten abgeführt. Interessanterweise sammeln sich die ’schweren’ Staubteilchen in der Mitte und können so von der Luft getrennt werden.

Ranque-Hilsch-Rohr

Bereits 1929 findet G.J. Ranque bei Versuchen am Zyklon eine Temperaturverteilung, was er in einem Patent niederschrieb. R. Hilsch konstruierte daraus Ende der Vierziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts das heute unter dem Namen Ranque-Hilsch-Rohr bekannte Gerät. Es ist ein einfaches Rohr von relativ kleinem Durchmesser, in das tangential Druckluft von bis zu acht Bar eingeblasen wird. Auch hier entsteht eine Trennung von schwerer (kalter) und leichter (heißer) Luft im sich bildenden Wirbel, die an beiden Enden des Rohres herausgelassen werden kann. Wenn es geschickt konstruiert ist, kommt am einen Ende aus einer zentralen Bohrung die kalte und am anderen Ende aus einem kreisförmigen Spalt die warme Luft. Der Temperaturunterschied kann bis zu 100 Grad betragen, es entstehen bis -50°C. Da das Gerät keine bewegten Teile hat oder gewartet werden muss, kann es an schwierigsten Orten zur Kühlung von z.b. elektronischen Schaltungen eingesetzt werden. Leider ist der Wirkungsgrad grottenschlecht, so dass das Verfahren zur Luftzerlegung oder für Kühlmaschinen demnächst noch nicht einsetzbar ist. Ein Beispiel für die kommerzielle Nutzung findet sich bei der Firma exair.

Wirbelbirne

In der Technik werden große Gasmengen gekühlt. Das geschieht in vielen Fällen durch Kompression der Gase, die sich dabei erwärmen und dadurch mit normaler Luft gekühlt werden können. Anschließend wird das Gas durch Drosseln entspannt, wobei es sich abkühlt. Der Prozess kann energetisch günstiger gestaltet werden, wenn statt einer einfachen Drossel eine so genannte Wirbelbirne zum Einsatz kommt. Diese funktioniert wie ein Ranque-Hilsch-Rohr. Der entstehende Warmgasstrom kann zusätzlich gekühlt werden, so dass nach der Vereinigung mit dem Kaltgasstrom ein energetischer Effekt erzielbar ist.

Bild: Wirbelbirne

Wirbelkammer

Auf der Webseite www.tornadoproject.com (Kapitel Tornadovideos)  kann man sich die Bauanleitung für ein Gerät bestellen, das ich mal Wirbelkammer nennen möchte. Es hat keinen nennenswerten Nutzen, außer dass es sehr schön einen Wirbel erzeugen kann. Immerhin kann man sich dieses Naturereignis damit zu jeder Zeit erzeugen und anstarren. Ich sage Euch, es ist ein Erlebnis. Ich habe das Ding nach gebaut und jeder, der davor gestanden hat, meinte genauso wie ich, dass es beeindruckend anzusehen ist.

Zyklonartige Reinigungsgeräte

Schon seit Jahrzehnten werden Ranque-Hilsch-Rohr-artige Geräte für die Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten aus Gasen genutzt (siehe Staubsauger). Es gibt sie in vielen Größen von wenigen Zentimetern bis zu etlichen Metern Länge.Interessanterweise wird das Prinzip kaum genutzt, nur wenige Geräte sind auf dem Markt zu finden, obwohl es Anwendungsfälle in großer Zahl gibt. Ein schönes Beispiel ist die Reinigung von verschmutztem Wasser, das heute meist gefiltert wird, was aber viel mehr Aufwand erfordert.

Zentrofan-Mühle

Diese Getreidemühle wurde in der zweiten Hälfte der Vierziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts von dem Ingenieur Wilhelm Schulte entwickelt. Er wollte das Korn biologisch aufschließen, was ihm durch eine neuartiges Mahlprinzip auch gelang: Das Korn wird über einen Trichter in den Mittelpunkt der Zentrofan-Mühle geleitet. Hier nimmt ein Luftstrom das Korn auf, verwirbelt es und bläst es an den Innenrand des stehenden Naturmahlsteins aus Basalt-Lava. Durch Schleifen am Naturmahlstein löst sich das Korn in feinste Mehlteilchen auf. Der ständig spiralförmig kreisende Luftstrom nimmt den feinen Mehlstaub auf und transportiert diesen zum Mehlauswurf. Es entsteht ein außergewöhnlich hochqualitatives Mehl, das in seiner Feinheit unübertroffen ist.Heute wird die Mühle von Rainer Braunwarth in 88662 Überlingen in kleinen Stückzahlen produziert (www.zentrofan-muehle.de).

Bild: Zentrofan-Mühle

Störende Wirbel

Wirbel stören faktisch überall, wo etwas bewegt wird- auf der Straße bei Fahrzeugen- in der Luft bei Fluggeräten- im Wasser bei Schiffen und Unterseebooten- in Rohrleitungen aller Art. An allen Ecken und Kanten, in Rohrleitungen auch ohne dieselben, entstehen Wirbel, die den Energieverbrauch in die Höhe treiben. Im Wasser- und Windkanal wird seit Jahrzehnten versucht, durch geschickte Formgebung diese Verwirbelungen zu vermindern (z.B. durch die s.g. Winglets an Flugzeugflügeln), aber die heutige Wissenschaft und Technik stoßen immer wieder an Grenzen. Schiffspropeller können nur begrenzten Antrieb auf das Wasser übertragen, da irgendwann die Kavitationskräfte so stark sind, dass die Propeller regelrecht zerfressen werden.Bleibt die Frage, was ist die Lösung:  – Die Vermeidung der störenden Wirbel (der Turbulenzen) oder – die gezielte Erzeugung geeigneter Wirbel? In der Autostadt der Volkswagen AG in Wolfsburg kann man einen kleinen Versuch sehen, wie man die störenden Wirbel an einem Automodell sichtbar machen kann. Die Modelle kann man selbst an einer roten Kugel durch eine mit Aluminiumpulver versetzte Flüssigkeit ziehen. Dahinter bilden sich dann Wirbel aus – an der ´altmodischen` Karosse mehr und an der Stromlinien förmigen Karosse weniger Wirbel.

Bild: Größerer Windwiderstand

Bild: Kleinerer Windwiderstand

Wirbel in der Kunst

Brunnen

In Locarno fand ich diesen Brunnenwirbel, der zeigt, wie man durch geschickte Wasserführung die abgebildete Glockenform erzeugen kann. Im dicken Teil der Springbrunnendüse wird das Wasser ganz sicher radial eingespritzt, wodurch es anfängt zu wirbeln und dann diese wunderschönen Wasservorhänge erzeugt.”

Bild: Brunnen in Locarno