Von der Bernoulli Anomalie zur fraktalen Wirbeltheorie

Von der Bernoulli Anomalie zur fraktalen Wirbeltheorie von Felix Schaller Nach wie vor steht man in der Erforschung der Aerodynamischen Gesetze immer noch vor großen Herausforderungen. Auch wenn seit Bernoulli und Venturi, als einer der Väter von Aero und Hydrodynamik, das Verhalten von Strömungen gut erforscht ist, so macht vor allem die heute noch immer nicht technisch beherrschbare Eigenschaft von Strömungsturbulenzen der Forschung zu schaffen. Auch wenn man bemüht ist, diese mit allerlei Tricks zu beherrschen. Ausreichend Vorbild bietet hier vor allem Mutter Natur, der es scheinbar durch Jahrmillionen Jahre Evolution heute spielend gelingt, bei all ihren Geschöpfen -die sich in der Luft oder im Wasser bewegen- Reibungsverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Technische Umsetzungen auf diesem Niveau sind jedoch bis jetzt nicht in Sicht. Eine hier alternativ vorgestellte Theorie soll helfen diese technischen Problem nicht nur zu visualisieren, sondern soll auch die geeignete Lösung für dieses Problem liefern. 1.1 Strömungsggesetz von Bernoulli und Venturi Eines der wichtigsten Gesetze in der Strömungsdynamik ist das Strömungsgesetz von Bernoulli und Venturi. Speziell ist bekannt, dass im dünneren Rohrquerschnitt ein niedrigerer statischer Druck vorhanden ist, als in den Abschnitten mit größerem Rohrquerschnitt. Anhand dieser Untersuchungen definierten die beiden Herren im 18. Jahrhundert ihre Gesetze zum Gleichgewicht von statischem und dynamischem Druck. Auch wenn es soweit in Messung und Berechnung als bewiesen gilt ist diese Tatsache dennoch nicht widerspruchsfrei. Denn das Medium hat intern zu sich selbst - außerhalb der Druckgradienten die während der Querschnittsverengung eines Rohres das Medium auf die neue Geschwindigkeit beschleunigen - einen konstanten Druck. Dennoch wird ein Druckunterschied bei der Messung festgestellt. Warum? Bernoulli definiert daraus den dynamischen und den statischen Druck die zueinander immer konstant sind. Sprich höhere Geschwindigkeit ergibt damit eine höhere kinetische Energie und damit einen niedrigeren statischen Druck. Er führt quasi den dynamischen Druck als virtuelle Größe ein, damit der Energieerhaltungssatz nicht verletzt wird. Mit dieser Gesetzmäßigkeit wird seither die Grundlage der Strömungsdynamik definiert. Was aber wenn es für die selbe Gesetzmäßigkeit eine alternative Betrachtung und damit eine viel einfachere Erklärung für dieses Phänomen gibt, ohne dass eine virtuelle Größe eingeführt werden muss? Und dazu für weitere Rätsel und Probleme der Strömungsdynamik Türen für eine Lösung öffnet?

Man stelle sich das viskose Medium statt als plastische Strömung vorübergehend einmal schematisch als grober Partikelstrom vor, in der jedes Partikel einen individuellen Impuls trägt. Dazu in dem von Bernoulli und Venturi klassischen Versuchsaufbau: Um nun die jeweiligen Drücke in dem Versuch messen zu können, drücken die Strömungspartikel beim vorbei fließen mit einem spezifischen Druck auch in die Kapillar-Röhrchen ein, die den anliegenden statischen Druck über die Pegelstände messen. Die dort in die Kapillar-Röhrchen einströmenden Teilchen zum Aufbau des vorhandenen Drucks müssen somit durch den statischen Druck von der Strömungsbahn abgelenkt werden und in die Kapillar-Röhrchen einströmen. Damit aber ein Teilchen nach Newton seine vorgegebene Bahn verlässt wird es durch eine Kraft abgelenkt,

wenn kein elastischer Zusammenstoß mit einer anderen Masse (Teilchen) erfolgt. Diese Kraft ist als Zentripetalkraft bekannt und von folgenden Faktoren abhängig: 2 m⋅v F z= r Wie auch der dynamische Druck, ist die Zentripetalkraft proportional zu v2. v2 P dyn= ρ 2 Des weiteren ergibt sich über die Zentripetalkraft eine zusätzliche Abhängigkeit zum Radius r des Kapillar-Röhrchens. Daraus ergibt sich, dass der dynamische Druck bei der Messung nicht nur von der Geschwindigkeit abhängt, sondern ab gewissen extremeren Quotientenverhältnissen zwischen v oder r sich auch der Durchmesser des verwendeten Messröhrchens immer stärker auf den gemessenen Druck auswirkt. Dadurch erhält man dann folgenden Druckgradienten im KapillarRöhrchen:

Gehen wir also davon aus, dass der virtuelle dynamische Druck also an dieser Stelle real wird, wenn

die Strömung durch die Messung beeinträchtigt wird. Damit ein Wert gemessen werden kann, muss zur notwendigen Ablenkung auf das Strömungsteilchen in das Kapillar-Röhrchen der Trägkeitsimpuls geändert werden. Dies bedarf einem zusätzlichen Impuls. Da dieser aber nicht zusätzlich zum Druckausgleich aufgebracht werden kann, wird dieser als Druckabfall im KapillarRöhrchen registriert. Oder umgekehrt betrachtet, resultiert der Unterdruck daraus, dass die Teilchen aufgrund ihrer Trägheit vom Strömungskurs abzuweichen, nicht genügend Impuls in Richtung des Röhrchens ausüben können um einen Gegendruck zu erzeugen. 1.2 Relativistische Betrachtung des Strömungsgesetzes. Denken wir uns jetzt die Wände des Versuchsaufbaus von Bernoulli weg und lassen die schnelle Strömung auf eine stehende zulaufen. So werden wir nun denken, dass die schnelle Strömung also einen geringeren statischen Druck hat als die stehende. In der Tat jedoch erzeugt auch hier eine schnelle Strömung gegenüber einer stehenden Strömung einen hohen Strömungsimpuls, so dass diese die stehende Strömung verdrängen kann. Erweitern wir nun unsere Sicht auf die relative Betrachtung der Bewegung, d. h. beide Strömungen bewegen sich scherförmig zueinander, kann nicht mehr so einfach definiert werden, welche von beiden Strömungen nun diejenige mit dynamischem Unterdruck ist. Daraus resultiert, dass eine Strömug beides in sich vereint: Überdruck durch Strömungsimpuls und Unterdruck bei der Anströmung.

Während die Teilchen sich also aufeinander zu bewegen, erzeugt ihr kinetischer Impuls einen Überdruck. Dabei wird beim Vorbeiströmen ein Vakuum erzeugt, da der Strömungsimpuls die andere Strömungsmasse verdrängen will. Folglich ergibt sich in der Grenzschicht zwischen den Strömungen ein dynamischer Unterdruck. Nahe liegende Teilchen werden vom Unterdruck angezogen und auf eine Kreisbahn gezwungen. Charakteristische Wirbel entstehen. 2.1 Aerodynamisches Paradoxon Warum entstehen die Wirbel? Turbulenz als unvermeidbare Größe von Reibungstoleranzen? Oder vielmehr Teil von strömungsdynamischer Gesetzmäßigkeit? Betrachten wir nun eine weitere strömungsdynamische Anomalie: Der Trichter. Physikalisch unbedarfte Menschen mögen nun glauben, bläst man in das spitze Ende hinein, wird die Strömung auf der anderen Seite ebenfalls in der Mitte heraus strömen. Wie wir jedoch wissen ist das nicht der Fall: Die Strömung strömt an der Trichterwand entlang und verlässt diese erst am hintersten Ende. – Warum ist das so?

– Wieso strömt diese nicht gerade aus?

Somit hat ein viskoses Medium- dessen Umgebungsdruck >0 ist- die Eigenschaft, sich tangential verlaufenden Oberflächen anzuschmiegen und zu folgen. Gemeinhin ist dies auch als ConadaEffekt oder aerodynamisches Paradoxon bekannt. Die klassische Erklärung beim Trichter sagt, dass der statische Druck nach Bernoulli größer ist als der dynamische und somit der statische Druck in einem sich weitenden Rohr größer ist. Deswegen wird die Strömung an die Wand gedrückt, da dort der Druck geringer ist. Dementsprechend strömt das bewegte Medium dort hin, wo der Unterdruck am größten ist. Diesem Verhalten sind jedoch auch Grenzen gesetzt. Denn vergrößert man den Öffnungswinkel α des Trichters Stück für Stück oder würde die Strömungsgeschwindigkeit stark erhöht werden, so würde dieses aerodynamische Paradoxon nicht mehr gelten. Die Strömung würde wieder umschlagen und -statt an der Oberfläche entlang- wieder ohne Ablenkung durch die Mitte strömen. Dieses Verhalten orientiert sich somit an einem Grenzwert. Folglich können wir also festhalten, dass sich die Anomalie in Abhängigkeit von Krümmung und Geschwindigkeit einstellt oder eben nicht. Es gilt das Kriterium für den Grenzwert: AeroDynamikparadox: AeroDynamik paradox ≤  Krümmung⋅v c bzw. AeroDynamik paradox ≤ ⋅v ˙ c Die Erklärung für Bernoulli allein kann also nicht unbedingt herhalten,weil sie dennoch viele Fragen über das Umschlagskriterium offen lässt. Aber wie wir oben bereits erläutert haben, gibt es für diese Effekte zweierlei Erklärungsmöglichkeiten. Die klassische Methode über Bernoulli und die hier alternativ vorgestellte, auf die wir im Weiteren genauer eingehen werden. 2.2 Erklärungsmodelle mittels klassischer Mechanik Geht man wie oben erläutert davon aus, dass der dynamische Unterdruck nicht als innere Größe in viskosen Medien existiert, sondern allein durch die Beobachtung und Messung jenes Drucks an der Messvorichtung selbst entsteht, ist es möglich, das Strömungsverhalten nach den Regeln der klassischen Mechanik zu beschreiben, die hier ebenso ihre uneingeschränkte Gültigkeit haben.

Der kleine Unterschied zur klassischen Newtonschen Mechanik ist bei der Strömungsdynamik der, dass Ursache und Wirkung verschwimmen. Während bei klassisch mechanischen Abläufen die Kausalkette von Ursache und Wirkung genau getrennt werden kann, verliert sich die Abgrenzung in der Hydrodynamik. Verursacher ist hier zugleich Verursachter. Und umgekehrt. Das macht eine nach klassischem Verständnis widerspruchsfreie Sichtweise der kausalen Zusammenhänge auf den ersten Ansatz so schwer. Und letztendlich kann aus einer klassisch kausalen Sichtweise nicht gesagt werden, ob reine strömungsmechanische Effekte das aerodynamische Paradoxon hervorrufen oder ob der dynamische Druck dafür verantwortlich ist. Doch im Grunde genommen zeigt sich kein paradoxes Verhalten, es sollte lediglich die Betrachtungsweise geändert werden. Gehen wir wieder zu unserer Behauptung zurück, dass der dynamische Druck nicht real existiert, sondern nur durch die Messung festgestellt wird. Es gibt hier zusätzlich weitere Erklärungsmodelle die ohne Bernoulli auskommen: 1.) Volumenausgleich: Tritt also die schnelle Strömung bei gleich bleibendem Volumen Durchsatz pro Sekunde aus der Trichteröffnung aus, so würde sich die Flüssigkeit bei Vergrößerung des Duchmessers verlangsamen. V1 V2 v1 = v2 t t Gemäß der Massenträgheit wäre dies eine Ausbremsung, es sei denn, es findet ein Massenausgleich statt. Die Strömung sucht sich also den Weg des geringsten Widerstandes, in diesem Falle die Trichterwand. 2.) Vakuum: Die schnelle Strömung verdrängt das Medium in der Trichteröffnung. Da es sich bei klassischer Aerodynamik um viskose Medien unter Druckumgebung handelt, würde der verdrängte Raum zu einem Vakuum führen. Ein viskoses Medium in Druckumgebung möchte dieses Vakuum ausgleichen und lenkt das Luftteilchen von seiner Bahn hin zur Wand ab. Deswegen herrscht dadurch bedingt an Oberflächen ein relativer Unterdruck als Resultat der Impulsänderung, der dafür sorgt, dass die Strömung von der Oberfläche angezogen wird. Bekannt als Conada-Effekt. Dieser dann vorhandene Unterdruck ist im Vergleich zum zusätzlichen Messfehler bei Bernoulli wirklich real.

3.1 Differenzielles Vakuum: Betrachten wir den Effekt weiter im Detail und vereinfachen das Prinzip des existierenden Unterdrucks durch eine differenzielle Änderung der Oberflächentangente wie folgt:

Ein an einer Oberfläche strömendes (virtuelles) Fluidteilchen erfährt durch die sich ändernde Oberflächentangente Δα eine Ortogonale Kraft Fpu. Durch das entstehende Vakum im Zwischenraum anhand der Richtungsänderung von Oberfläche zur Strömungsrichtung, ergibt sich eine Unterdruckkraft. Diese veranlasst das Teilchen seine vorgesehene Bahn zu verlassen und wird in Richtung Oberfläche gezogen. Ein neuer Vektor entsteht aus Fv1 wird Fv2. Ebenso entsteht durch die Impulsänderung des Teilchens eine Gegenkraft auf die Oberfläche. In der Regel versuchen sich Druckdifferenzen in einem System immer auszugleichen. Bleibt die Strömung jedoch in Bewegung, kann der Unterdruck unter bestimmten Kriterien aufrecht erhalten werden. Eine konstante Kraft durch die stabile Unterdruckblase liegt an der Oberfläche an, dieser Unterdruck sorgt so für das klassische Auftriebsprinzip beim Flugzeug. 4.0 Wirbel Dieser entstandene Unterdruck bleibt unter bestimmten Voraussetzungen solange stabil, bis sich -wie bereits bei Punkt 2.1 angesprochen- der Krümmungsradius oder die Strömungsgeschwindigkeit so vergrößert, dass ein kritischer Grenzwert überschritten wird und sich die Strömung von der Trichterwand ablöst. Die Newtonsche Mechanik sagt, dass eine Ablenkung eines Körpers von seiner Bahn stets auf einer Kreisbahn stattfindet. So gesehen auch ein Strömungspartikel durch die Ablenkung des Unterdrucks an der gekrümmten Oberfläche. Steigt der differenzielle Krümmungsradius, so ändert sich proportional auch FpU . Eine stärkere Zentripetalkraft bedeutet auch, dass die Strömung auf engere Kreisbahnen gezwungen wird.

Eine Unterdruckblase, auch laminare Ablöseblase genannt, bildet sich zwischen Strömung und Oberfläche. Diese bleibt so lange stabil, bis die Zentripetalkraft so stark wird, dass Teilchen auf eine Kreisbahn > 90° gezwungen werden, ehe sie wieder die Oberfläche erreichen. Damit erfährt die Strömung eine Ablenkung weiter entlang der Oberfläche in die Gegenrichtung zur Strömung. Somit ist die Voraussetzung gegeben, dass es in die Ablöseblase einströmen kann. Durch ihre Einströmung gleicht die Strömung den Unterdruck in der Blase aus und lässt die Ablöseblase damit kollabieren, eine Verwandlung in einen Wirbel findet statt. Reicht jedoch der Impuls nicht aus das Teilchen soweit in die Gegenrichtung zu steuern, legt sich die Strömung wieder an die Oberfläche an und strömt laminar an ihr weiter. Die laminare Ablöseblase bleibt noch stabil. Kann sich aus einer Blase wie beschrieben ein Wirbel ausbilden, übernimmt er den Strömungsimpuls für seine eigene Existenz als Drehmoment und hält sich über den im Kern weiterhin ruhenden Unterdruck als repräsentative Zentripetalkraft und der es umkreisenden Strömung stabil. Durch die Drehung und den aufgebauten Unterdruck speichert der Wirbel auch einen nicht unwesentlichen Betrag der Energie, den er durch den Drehimpuls vom Restsystem absorbiert. Dabei ändert sich Unterdruck und Drehimpuls proportional, dementsprechend erhöht sich auch die Massenträgheit des Wirbels. Der Wirbel bewegt sich damit langsamer als die ihn umgebende Strömung und kann so zusätzlich Impulsenergie aufnehmen. Es findet also eine Transformation von Richtungsimpuls in Drehimpuls statt. Aus diesem Grund eignen sich Wirbel gut zur Energiespeicherung und gleichzeitig erklärt das auch, warum turbulente Strömung die Strömungsenergie so stark absorbieren kann. Zusammenfassend kann gesagt werden: Ändert sich das Krümmungsdifferenzial einer Oberfläche lokal derart, dass der Strömungsimpuls schwächer ist als das dadurch erzeugte Vakuum, entsteht ein Wirbel zwischen Strömungsrichtung und Oberfläche, der Unterdrucksspannungen in laminaren Ablöseblasen abrupt auflöst. Daraus folgt: jede laminare Ablöseblase ist also ein Teil eines unvollständigen Wirbels der durch das Hindernis Oberfläche an seiner vollständigen Ausbildung gehindert wird. Der einem jeden Wirbel zu Grunde liegenden Unterdruck zur zentripetalen Ablenkung der darin kreisenden Strömungspartikel, bildet auch die Ursache für den Unterdruck an umströmten konvexen Flächen. Weiterhin entsteht durch einen Wirbel die Möglichkeit, Richtungsimpuls in Drehimpuls

umzuwandeln. Durch die dadurch resultierte Trägheit kann damit letztendlich Energie in Masse umgewandelt werden. 4.2 Turbulenzen Da in einem Strömungsmedium anders als bei starren Körpern die Kausalkette von Ursache und Wirkung keine Einbahnstraße ist, sondern sich in der Strömung alle (Teil-)Elemente gegenseitig beeinflussen, sind die Zustände in einem Medium stets als differenziell zu betrachten. Kleinere Wirbel bilden sich daher bereits innerhalb des differenziellen Windschattens einer laminaren Strömung aus, wie man sie in laminaren Ablöseblasen kennt. In der laminaren Ablöseblase ist es ähnlich. In dessen Inneren drehen sich bei langsameren Strömungsgeschwindigkeiten kleinere Wirbel, die den Zwischenraum ausfüllen. Da diese eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit haben wie die laminare Strömung außerhalb der Blase, können diese Strömungen kleinere Wirbelradien bilden. Diese sind dann fraktal zueinander angeordnet, so dass jeweils zwischen zwei gegenläufig zueinander strömenden größeren Wirbeln kleinere Wirbel wie in einem Kugellager dazwischen liegen. Je mehr wir die Maßstäbe verkleinern desto stärker macht sich die Auswirkung auf den Teilchenimpuls an einer Oberflächenänderung und absolutes Vakuum bemerkbar. Durch Änderung des Maßstabes würden sich hier auch die Reynoldszahl vergrößern, die für unsere Betrachtungsweise vorerst ohne Relevanz ist, wenngleich hier ein Zusammenhang kurz angemerkt werden soll. Interessanter ist für uns die Betrachtung der Grenzschichttheorie. Gemäß dieser verlangsamt sich in der Grenzschicht die Strömung zur Oberfläche hin quadratisch. Dadurch werden zur Oberfläche hin die Unterschiede zwischen stehender und fließender Strömung größer als am Randbereich. Damit kommt auch nun die relativistische Betrachtung (von Bernoulli) aus Punkt 1.2 zum Tragen, indem das strömende Teilchen einen Unterdruck auf das stehende Teilchen induziert. Dieser Unterdruck erzeugt eine ortogonale Ablenkung und damit Zentripetalkraft. Da mit sinkender Geschwindigkeit auch die Voraussetzung steigt, das Partikel auf eine enge Kreisbahn zwingen zu können, steigt auch die Wahrscheinlichkeit zur Wirbelbildung. Begünstigt wird das zusätzlich durch Unebenheiten der Oberfläche, die durch minimale Druckunterschiede einen zusätzlichen Ablenkungsimpuls induzieren. Wie schon oben beschrieben können Wirbel wie stabile Massepartikel mit erhöhter Trägheit betrachtet werden. Somit kann man ihnen über den Zentripetal umkreisende Partikel auch eine diffuse räumliche Ausdehnung zusprechen. Dieser fungiert nun als Trägheits-Hindernis. Dadurch gibt nicht mehr die flache Oberfläche die Ablenkung der umströmten Partikel vor, sondern bereits der Radius des ersten Wirbels. Da dieser Radius wesentlich stärker ist als die Oberfläche selbst, ergibt sich auch in seinem Windschatten ein größerer Unterdruck als auf der Oberfläche, der dazu führt, dass selbst schnellere Partikel auf eine Kreisbahn gezwungen werden können. Es bildet sich darauf hin eine Kettenreaktion, die zur Bildung immer größerer Wirbel sorgt und damit immer größere Strömungsunregelmäßigkeiten. Diese „Turbulenzkeime“ verstärken sich im Laufe der Oberflächenablenkung weiter, so dass sich im Laufe der Umströmung einer Oberfläche die Strömung bereits zu einer starken turbulenten Schicht aufgedickt hat, die letztendlich einen impulsbedingten Reibungseffekt zur Folge haben.

Diese turbulente Grenzschicht wirkt in der Strömungsdynamik als besonders störend. Bei einem Flugzeug ist sie eine der Hauptverantwortlichen für den Luftwiderstand eines Flugzeugs. Es gab bereits viele Versuche diesen Effekt zu unterbinden, wie z.B. von der Uni Stuttgart durch lokales Absaugen turbulenter Oberflächenströmungen unternommen. http://www.iag.uni-stuttgart.de/people/markus.kloker/text/ustutt- pressemitteilung_120-2006.pdf Die Lösung für dieses Problem muss aber nicht immer die Eindämmung des Effektes mit allen Mitteln bedeuten. Wie wir erkennen können ist es die klassische Physik im Bereich diffuser mechanischer Zustände und sich gegenseitig beeinflussender Kausalketten, die ein Zustand der absoluten Ordnung als nicht zielführend angesehen werden kann. Gerade kleinste Keime der Unordnung ziehen eine unvermeidbare Kettenreaktion mit sich. Nicht nur das. Vor allem perfekte Oberflächen begünstigen geradezu eine turbulente Verstärkung, der sie ungehindert Raum bieten. Ebenso würde eine extrem rauhe und chaotische Oberfläche nur auf höherem entropischem Niveau die Turbulenz verstärken. Besinnen wir uns noch einmal auf die fraktale Eigenschaft in der Anordnung von Wirbeln in einer Ablöseblase:

Somit wird klar, dass es sich hier nicht um ein vollständiges Chaos handelt, sondern um Zustände von deterministischem Chaos, die nur nicht ausreichend stabil miteinander verzahnt sind. Da wie wir sehen Wirbel untrennbar mit Druckunterschieden verbunden sind und damit an jedem statischen Hindernis auftreten, versucht man also zu vermeiden, dass sich solche turbulente Eigenschaften ungeordnet bilden. Das führt sie dann in ein fraktales Raster des deterministischen Chaos. Durch kontrollierte Auslösung von Wirbeln die ein geordnetes Muster ergeben, kann man aber solche Turbulenzkeime vermeiden. Diese könnten sich sonst auf einer glatten Oberfläche ungehindert ausbreiten und selbst verstärken. Einen zusätzlichen Effekt haben diese geordneten Mikrowirbel noch darüber hinaus, dass sie wie eine Art Kugellager funktionieren und somit Oberflächenreibung verhindert werden kann.

Diese hier sehr vereinfachte schematische Darstellung soll nur das Grundprinzip verdeutlichen das dahinter steckt. In Wahrheit kann man durch ein geeignetes Muster eine fraktale Stapelung

gegenseitig verzahnter Wirbelwalzen erzeugen, die in der Lage sind, aufgebaute Turbulenzen ständig neu auf- und abzubauen.

Da sich die Turbulenzen nicht wie sonst üblich im Weg stehen würden kann über eine solche Selbstorganisation ein Cw Wert erreicht werden wie er es nicht durch die Glatteste Oberfläche erreicht werden kann. da diese nicht dynamisch auf die vorherrschenden Bedingungen reagieren können. Die wie oben schon angesprochen erste Möglichkeit dynamisch darauf zu reagieren eine unkontrollierte Wirbelbildung zu vermeiden und damit einen verbesserten Auftrieb zu erzeugen, wäre ein flexibles Profil, dass sich demnach den global und lokal vorherrschenden Strömungsbedingungen möglichst differenziell, sprich nach den jeweiligen lokalen Voraussetzungen anpasst. Dies vermeidet dennoch nicht dass sich eine Grenzschicht bildet. 5.0 Neue Technische Ansätze Abgesehen, das man diese Überlegungen auch für Quantenmechanische Anomalien verwenden könnte beschränken wir uns hier auf die strömungsdynamischen Anomalien. Was könnte diese vorläufige Erkenntnis für uns bedeuten? Sie könnte bedeuten, das man Das Auftriebsprinzip an Flugzeugen beispielsweise ganz anders beurteilen muß. Statt starren Profilkörpern bei Flugzeugen, die für eine gewisse Leistungsdynamik ausgelegt werden, entsteht auch aus dieser Betrachtungsweise die Frage nach komplett anderen Ansätzen für die Aerodynamik. 5.1 Mikroskopische Anwendung In Mikroskopischer Anwendung zur Verminderung von oberflächenbedingten Reibungsturbulenzen kann ein spezielles Oberflächenmuster helfen. Zwar forscht das Frauenhofer Institut an diversen Nanolacken, die durch Parallel zur Strömung verlaufenden Rillen die Turbulenz um ca 8% verringern kann: http://www.ifam.fraunhofer.de/2804/fachinfo/infoblaetter/Produktblatt-2804-DELacktechnik-Riblet.pdf Dennoch gehen die Lösungsmöglichkeiten die sich aus dieser Wirbeltheorie entwickeln lassen in noch viel tiefere Verschachtelungsmöglichkeiten mit weitaus höherer Effizienz. 5.2 Makroskopische Anwendung Eine spezielle Oberflächenstruktur kann zwar in erster Linie kleine Turbulenzen auf einer Oberfläche so strukturieren, dass deren Störfaktor auf ein Minimum reduziert ist. Dennoch gehen

bei der fraktalen Natur aller viskosen Medien die Makroskopischen Störfaktoren durch das Netz. Gerade bei der Anwendung von strömungsdynamischem Wissen in der Aerodynamik entsteht dabei der Eindruck, dass aus den Erkenntnissen dieses Theoriemodells eine Ablenkung von Strömung zu Auftriebszwecken viele Eigenschaften von strömungsdynamischen Effekten ungeachtet bleiben. Besonders hervorstehend ist die Tatsache, dass man heutzutage es immer noch für technisch unumgänglich hält ein viskoses Medium mittels nahezu starren Profilkörpern zu modellieren versucht, wodurch aber nur mit großen Verlusten gerade bei langsameren Geschwindigkeiten eine Strömungsablenkung zustande kommt. Erst bei höheren Geschwindigkeiten entsteht ein ausreichender Ertrag aus dem Auftrieb. Doch wie Vögel und Insekten beweisen kann die Natur wesentlich effizientere Auftriebswerte erzeugen als die von Menschen gemachten Tragflügel. Aus unserer Wirbelthese entsteht vor allem der Eindruck, das bei derzeitigem technischen Stand vor allem die dynamische Eigenschaft von Strömung unzureichend berücksichtigt wird. Gerade der Aspekt der perfekten Krümmung zur perfekten Profilanhaftung von Flügeloberflächen, hat im Hinblick auf die oben beschriebene Wirbelausbildung eine besonders wichtige Bedeutung. Denn oft erzeugt ein unzureichender Aufbau von der richtigen Krümmung entsprechend der vorliegenden Strömungsbedingung ein abruptes Abreißen der Strömung. Für diesen Strömungsabriss reicht fataler weise schon eine lokal sehr begrenzte Grenzwertüberschreitung um den Unterdruck an der gesamten Flügeloberfläche kollabieren zu lassen. Was wäre also notwendiger als hier mit einer Oberfläche der Strömung zu begegnen, welche es schafft für jede lokale Strömungsbediungung die geeignete Ablenkung zu schaffen, damit die Strömung nicht in die laminare Ablöseblase einströmen kann. Die strömungsdynamischen Eigenschaften können sich sogar selbst eine solch benötigte Profil Krümmung unter bestimmten Voraussetzungen erzeugen. Doch wie sähe ein solches Profil aus dass der Strömung auf dynamische Weise begegnen könnte?

Hierfür habe ich ein internationales Patent im Dez 2011 eingereicht. Aus Geheimhaltungsgründen für die Patentanmeldung kann ich jedoch nicht öffentlich alle Details zu dieser Technologie offenlegen. In dieser Patentschrift ist auf Basis dieses Theoriemodells eine technische Umsetzung weiter formuliert worden. Für die weitere praktische Umsetzung und vor allem technische Überprüfung aller theoretischen Überlegungen suche ich daher noch Forschungsinstitute oder Firmen, die bereit wären diese Technologie weiterzuentwickeln und letztendlich für neue Auftriebskonzepte zur Anwendung zu bringen. Ich danke für ihre Aufmerksamkeit. Felix Schaller