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Als der berühmte amerikanische Physiknobelpreisträger Richard Feynman 1988 starb, hinterließ er auf einer Tafel eine kurze Liste mit ungelösten Problemen der Physik. Ein Punkt auf dieser Liste war ein Phänomen, dem wir überall in Natur und Technik begegnen: die Turbulenz. Tatsächlich ist diese wissenschaftlich harte Nuss bis heute nicht richtig geknackt. „Auf Schüler wartet da eine spannende Aufgabe", sagt Eberhard Bodenschatz augenzwinkernd. Der Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen forscht selbst schon lange auf dem Gebiet.

Turbulenz ist die ungeordnete Bewegung von Fluiden - all jenen Medien, deren Moleküle gegeneinander beweglich sind. Dazu zählen Flüssigkeiten wie Wasser, aber auch Dampf und Gase. In der windigen Wetterküche über unseren Köpfen tobt die gewaltigste Turbulenz der Erde. Noch größere Turbulenz gibt es im Kosmos: In der Sonne rasen wahrscheinlich riesige Wirbel heißen Gases turbulent durcheinander. Ohne Turbulenz könnten nach heutiger wissenschaftlicher Vorstellung auch keine Planeten aus den Staubscheiben um junge Sterne entstehen. Erst Wirbel bringen die feinen Materieteilchen einander so nahe, dass sie zusammenklumpen können. Auf ähnliche Weise, nur im kleineren Maßstab, lässt atmosphärische Turbulenz aus feinsten Wolkentröpfchen vermutlich größere Regentropfen entstehen. Solche Vorgänge in Natur und Technik untersucht das Team von Eberhard Bodenschatz in ausgefeilten Experimenten.

Turbulenz hat also eine wichtige Eigenschaft: Sie mischt im wahrsten Sinn des Worts kräftig auf. Das ist für viele technische Anwendungen entscheidend. In einem Verbrennungsmotor zum Beispiel müssen sich Luft und Treibstoff vor der Zündung möglichst gut mischen, um effizient zu verbrennen. Eine gute Mischung wollen wir auch, wenn wir Milch oder Sahne in den Kaffee gießen. Deshalb rühren wir mit dem Löffel um. Besonders bei Sahne kann man schön beobachten, was folgt: Sie zeichnet erst als heller Faden den großen Wirbel des Löffels nach. Dieser bricht schnell in viele kleinere Wirbel auf, die schließlich verschwinden. Dann ist der Kaffee gleichmäßig milchbraun durchmischt. Ohne Umrühren können wir andere turbulente Strömungen beobachten: Der heißere Kaffee steigt von unten auf, kühlt an der Oberfläche ab und sinkt wieder hinunter. Auch so entsteht langsam eine gleichmäßige Mischung. Der Kaffee demonstriert, dass grundsätzlich zwei physikalische Kräfte wirken: Eine Kraft beschleunigt die Flüssigkeit. So bringt das anfängliche Umrühren mit dem Löffel oder das Aufsteigen des heißen Kaffees Bewegungsenergie (kinetische Energie) ins Fluid. Dem wirkt eine zweite Kraft entgegen - die Reibungskraft. Sie bremst die Bewegung wieder aus und verwandelt deren Energie letztlich in Wärme.

Serienbeschreibung
Die Serie stellt Materialien der Website max-wissen.de bereit, einem Angebot der Max-Planck-Gesellschaft. Neben den Max-Heften im pdf-Format werden Arbeitsblätter, Folien, Hintergrundinformationen und didaktische Überlegungen angeboten.