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Strömung von Flüssigkeiten

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  • Lesezeit: 19 min
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Steckbrief

Die Strömungslehre und ihre Gesetze sind für einen Mediziner ein sehr wichtiges Teilgebiet der Physik. Das Blutkreislaufsystem und auch die Atmung funktionieren nach diesen Gesetzen. Auch künstliche Kreisläufe wie die Dialyse oder die Kreisläufe der Herz-Lungen-Maschine gehorchen ihnen. Manches davon wird dir auch bei der Elektrizitätslehre, wenn es um den elektrischen Strom (= die „elektrische Strömung“) und seine Eigenschaften geht, begegnen.

Ideale Flüssigkeiten

Ideale Flüssigkeiten sind inkompressibel und fließen ohne innere Reibungsverluste, d.h. ohne Viskosität.

Es gibt laminare und turbulente Strömung:

  • laminare Strömung: gleichmäßige Strömung

  • turbulente Strömung: Es bilden sich Wirbel und der gleichmäßige Strom wird unterbrochen.

Das Fließen der Flüssigkeit wird durch die Volumenstromstärke charakterisiert:

Equation

Equation ist die Querschnittsfläche des Rohres, Equation ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit.

Bei konstanter Volumenstromstärke sind Equation und Equation umgekehrt proportional zueinander. Das bedeutet: Je kleiner der Durchmesser eines Rohres, desto schneller fließt die Flüssigkeit. Der Zusammenhang wird durch die Kontinuitätsgleichung beschrieben:

Equation

In fließenden Flüssigkeiten ist der hydrostatische Druck geringer als in statischen Flüssigkeiten. Die Druckverhältnisse in fließenden Flüssigkeiten werden durch die Bernoulli-Gleichung beschrieben. Sehr vereinfacht kann man sagen: Je schneller eine Flüssigkeit fließt, desto geringer ist der Druck darin.

Reale Flüssigkeiten

Reale Flüssigkeiten zeigen in verschiedener Hinsicht Unterschiede zu idealen Flüssigkeiten. Dazu gehören unter anderem:

  • Sie besitzen eine innere Reibung (Viskosität).

  • Das Bernoulli-Gesetz gilt nicht mehr.

  • Das Stömungsprofil hat einen parabolischen Verlauf.

  • Es gilt das Ohm’sche Gesetz für reale Flüssigkeiten.

Weitere wichtige Gesetze in der Strömungslehre sind das Hagen-Poiseuille-Gesetz und die Kirchhoff-Regeln:

  • Hagen-Poiseuille-Gesetz: gibt den Strömungswiderstand für zylinderförmige Röhren an. An ihm lassen sich wichtige Verhältnisse wie z.B. der Zusammenhang zwischen Volumenstromstäke, Querschnittsfläche, Strömungswiderstand und Druck ablesen. Diese spielen eine wichtige Rolle in der Physiologie des Kreislaufs und der Atmung.

  • Kirchhoff-Regeln: beschreiben die Zusammenhänge in Strömungsnetzwerken, also den Zusammenhang zwischen Strömungswiderständen, Druckabfall und Aufzweigungen von Röhren. Sie gelten auch in elektrischen Netzwerken (Stromkreisläufen).

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    Laminare und turbulente Strömung

    Zur Diskussion der Strömung von Flüssigkeiten gehen wir zunächst von idealen Flüssigkeiten aus. Ideale Flüssigkeiten sind inkompressibel und fließen ohne innere Reibungsverluste, d.h. ohne Viskosität. Die Strömung von idealen Flüssigkeiten wird durch eine konstante Anzahl von Flusslinien dargestellt. Die Dichte der Flusslinien ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit Equation der Flüssigkeit.

    Man spricht von laminarer Strömung, wenn die Flusslinien trotz Hindernis oder Verengung nicht abreißen. Im Gegensatz dazu spricht man von turbulenter Strömung, wenn die Stromlinien um ein Hindernis diskontinuierlich verlaufen, d.h. abreißen, Wirbel bilden und sich neu bilden.

    Strömungsverhältnisse in einer idealen Flüssigkeit

    : Laminare Strömung, dargestellt durch parallele Flusslinien.: Laminare Strömung um ein Hindernis. Die Flusslinien verdichten sich, reißen aber nicht ab.: Turbulente Strömung um ein Hindernis. Die Flusslinien reißen ab und bilden Wirbel.

    Image description
    Reihenschaltung von Widerständen

    Durch alle Widerstände fließt der gleiche Strom, die Spannung fällt sukzessive über den Widerständen ab.

    (Quelle: Zabel, Kurzlehrbuch Physik, Thieme, 2016)
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    Parallelschaltung von Widerständen

    An allen Widerständen liegt die gleiche Spannung an, die hier gleich der Quellspannung von 100 V ist. Der Strom teilt sich entsprechend den Widerständen auf. Grafiken wie diese werden als elektrische Schaltkreise bezeichnet. Das Symbol für elektrische Widerstände sind Rechtecke. Die schwarzen Linien kennzeichnen elektrische Zuleitungen. Bei Rechnungen wird angenommen, dass die Zuleitungen keinen Ohm’schen Widerstand haben.

    (Quelle: Zabel, Kurzlehrbuch Physik, Thieme, 2016)
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      zuletzt bearbeitet: 27.10.2022
      Fachlicher Beirat: Prof. Dr. Dr. Hartmut Zabel, 23.01.2022
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