Wird ein Körper von einer Flüssigkeit oder einem Gas umströmt,
dann wird die Bewegung des Körpers gehemmt. Das ist z. B. der Fall,
wenn sich ein Auto oder ein Vogel gegenüber Luft bewegen (Bild 1).
Ähnlich ist das bei einem Fisch im Wasser oder bei einem Radfahrer,
insbesondere wenn er gegen den Wind fährt.
Der jeweilige Stoff (z. B. Luft oder Wasser) und der sich bewegende Körper
wirken aufeinander ein. Diese Wechselwirkung
führt zu einer Kraft, die die Bewegung hemmt.
Man nennt diesen bewegungshemmenden Widerstand Strömungswiderstand,
im Falle von Luft auch Luftwiderstand.
Der Strömungswiderstand entsteht vor allem durch eine Wirbelbildung
hinter umströmten Körpern, also dann, wenn die Strömung
um den Körper verwirbelt ist. Hinweise zu dieser Art der Strömung
sind unter dem Thema "Strömende
Flüssigkeiten und Gase" zu finden. Die Kraft, die die
Bewegung des Körpers hemmt, heißt Strömungswiderstandskraft.
Faktoren, die den Strömungswiderstand
beeinflussen
Bei Körpern, die eine Stromlinienform
besitzen oder die sich sehr langsam in einer Strömung bewegen, treten
kaum Wirbel auf.
Der Strömungswiderstand ist in diesem Fall gering.
Der Strömungswiderstand eines Körpers ist umso größer,
- je größer die Querschnittsfläche des Körpers ist,
- je größer die Strömungsgeschwindigkeit zwischen Körper und umgebendem Stoff ist und
- je größer die Dichte des Stoffes ist.
Er ist auch abhängig von der Form und von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Eckige Formen und raue Oberflächen vergrößern in der Regel den Strömungswiderstand. Bild 2 zeigt die Abhängigkeit des Strömungswiderstandes von der Körperform. Setzt man den Strömungswiderstand bei einem stromlinig geformten Körper mit 1 an, so ist z. B. der Strömungswiderstand bei einer Kugel mit gleicher Querschnittsfläche, gleicher Oberflächenbeschaffenheit und gleicher Strömungsgeschwindigkeit 8-mal so groß.
Berechnung des Strömungswiderstandes
Wir betrachten als Beispiel die Berechnung
des Luftwiderstandes. Den Betrag der Strömungswiderstandskraft
(man spricht im Falle von Luft von Luftwiderstandskraft
oder häufig auch einfach vom Luftwiderstand) kann mit folgender Gleichung
berechnet werden:
Die Luftwiderstandszahl ist von der
Form und von der Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen Körpers
abhängig. Bild 3 zeigt einige Durchschnittswerte.
Bei modernen PKW liegt die Luftwiderstandszahl bei etwa 0,3.
Für die Praxis von besonderer Bedeutung ist die Zunahme des Luftwiderstandes
mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Das bedeutet: Verdoppelt ein PKW
seine Geschwindigkeit, so vergrößert sich sein Luftwiderstand
um das Vierfache. Bei Vergrößerung der Geschwindigkeit um den
Faktor 1,4 verdoppelt sich der Luftwiderstand. Er ist somit z. B. bei
einer Geschwindigkeit von 140 km/h doppelt so hoch wie bei einer Geschwindigkeit
von 100 km/h.
Darüber hinaus vergrößert sich der Luftwiderstand bei einem PKW auch, wenn die Fenster geöffnet oder ein Dachgepäckträger montiert sind. Dadurch treten verstärkt Wirbel auf, die eine Vergrößerung der bewegungshemmenden Kraft bewirken. Um mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu fahren, ist dann eine höhere Motorleistung erforderlich, die mit einem höheren Benzinverbrauch verbunden ist.