Zürich – So mühelos ein Fisch durchs Wasser gleiten mag – für physikalische Berechnungen sind die komplizierten Wasserwirbel eine gewaltige Herausforderung. Schweizer Forschern ist dies nun gelungen, was beim Erforschen von Flugzeugtragflächen hilfreich sein könnte.
Denn auch die Luftwirbel an den Tragflächen verhalten sich nach den äußerst komplizierten Gesetzen der Flüssigkeitsdynamik. Ihre Resultate haben die Forscher um Petros Koumoutsakos von der ETH Zürich dementsprechend auch im Fachjournal "Chaos" veröffentlicht.
Untersuchung mit Computermodellen
Bei getrennten Objekten – etwa einem Langläufer und seinen Stöcken – lassen sich die gegenseitig einwirkenden Kräfte relativ leicht berechnen, wie es in einer Mitteilung des Journals zur Studie heißt. Doch weil das Wasser um den Fisch kontinuierlich fließt, lässt sich viel schwieriger bestimmen, welche Teile des Wassers für die Fortbewegung relevant sind.
Bei ihren Computermodellen haben sich die Forscher deshalb auf die Wirbel nahe an der Fischhaut konzentriert. "Diese Wirbel spielen eine entscheidende Rolle für die Fortbewegung des Fischs", zitiert die Mitteilung Erstautor Florian Huhn von der ETH. "Schon die Tatsache, dass sie rotieren, legt eine starke Wechselwirkung mit dem Fisch nahe."
Entscheidende Wirbel
Das Team fand heraus, dass die Wirbel geschlossene Strukturen bilden, sogenannte Lagrange-kohärente Strukturen. Benannt nach Joseph-Louis Lagrange, einem Pionier der Flüssigkeitsdynamik aus dem 18. Jahrhundert, stellen sie eine Art unsichtbare Barrieren in Luft und Wasser dar – so etwas wie das "Skelett" von Flüssigkeiten.
Diese Barrieren sind bei Meereswellen und Sedimentflüssen ebenso zu finden wie bei Hurrikanen oder Rauchringen. Sie strukturieren quasi das Chaos. Entsprechend suchten auch die Zürcher Forscher nach Stellen, wo das Wasser rings um den Fisch Wirbel bildete, die vom Rest des Wassers klar getrennt sind – also ebenfalls Lagrange-Strukturen.
Der C-Start
Sobald sie diese identifiziert hatten, konnten sie den Flüssigkeitsinhalt dieser Wirbel als Ganzes simulieren und ihren jeweiligen Beitrag zur Fortbewegung errechnen. Dies taten sie für zwei Arten des Schwimmens: das normale Schlängeln und die Fluchtbewegung, bei der sich der Fisch C-förmig krümmt und nach vorne schnellt.
Das normale Schwimmen ließ sich fast ausschließlich durch die Übertragung von Impulsen zwischen dem Fisch und den separaten Wirbeln erklären. Beim C-Start jedoch spielte zusätzlich ein nicht-rotierender, von der Wirbelregion eingeschlossener Flüssigkeitsstrahl eine Rolle.
Die Forscher glauben, dass ihre Berechnungsmethode auch für weitere Flüssigkeitsanalysen nützlich sein werden. "Immer wenn ein Körper durch eine Flüssigkeit pflügt, sei es ein Vogel oder Fisch, ein Flugzeug oder Schiff, werden solche Wirbel gebildet", sagte Huhn. "Mit unserer Methode lässt sich die Bildung dieser Wirbel verfolgen und verstehen, indem eine Flüssigkeit in separate Zonen unterteilt wird." (APA, 26.6. 2015)