15. Tornado - Rohr


Tornados heißen Wirbelstürme in Nordamerika. In Deutschland nennt man sie Windhosen; starke Windhosen kommen bei uns nicht häufig vor. Kleinere Luftwirbel hat wohl schon jeder mal beobachtet. Wasserwirbel sind bekannt vom Abfließen des Wassers in einer Badewanne. Mit großen Plasteflaschen von 1,5 bis 2 Liter kann man sie sehr schön erzeugen und beobachten. Entweder kauft man so ein Tornado-Rohr fertig oder baut es sich selbst (siehe Bild). Zwei Schraubverschlüsse aus Metall und ein etwa 30 mm langes Rohrstück mit einem Innendurchmesser von ebenfalls etwa 30 mm, in das die Schraubverschlüsse möglichst genau hineinpassen, werden dazu benötigt. Man klebt mit einem Schnellkleber beide Schraubverschlüsse so in das Rohr hinein, daß sie sich in der Mitte mit ihren Oberflächen berühren. Ist der Kleber ausgehärtet, wird durch die Mitte der Schraubverschlüsse ein Loch mit einer Bohrung von 8 bis 10 mm gebohrt.
Mit diesem Doppelschraubverschluß, kurz Tornado-Rohr genannt, lassen sich zwei Flaschen miteinander verbinden. Wegen der möglichen Bruchgefahr verwende man auf keinen Fall Glasflaschen. Man füllt eine der beiden Flaschen etwa zu zwei Drittel mit Wasser und schraubt das Tornado-Rohr auf die zweite, leere Flasche drauf. Hält man die so verschraubten Flaschen mit der Wasserflasche nach oben und bringt die Flüssigkeit mit einer kreisenden Bewegung ins Rotieren, bildet sich meist ein Wirbel aus und das Wasser läuft in die untere Flasche aus. Je nach Kreiselrichtung wird ein links- oder rechtsdrehender Wirbel erzeugt. Man sollte dabei darauf achten, die Flaschen am Tornado-Rohr nicht zu großen Belastungen auszusetzen, da das Tornado-Rohr dadurch ausgehebelt werden kann.
Zwei Arten von Wirbeln lassen sich unterscheiden, je nachdem, wie schnell die Flüssigkeit in der Flasche kreist.
(1) breite, ruhige, stabile, leise Wirbel
(2) schmale, mehr unruhige, blubbernde und etwas instabile Wirbel, die sich leicht selbst abschnüren
In 2-Liter-Flaschen lassen sich die Wirbel bis zu 30 Sekunden lang aufrechterhalten. Versetzt man das Wasser mit kleinen Schnipselchen von Toilettenpapier o. ä., läßt sich die Drehung des Wirbels gut beobachten. Am breiten, oberen Teil der Flasche drehen sich die Papierschnipsel etwa mit 1 bis 2 Umdrehungen pro Sekunde. Bei der Annäherung des Wirbels zum Flaschenhals hin läßt sich die Umdrehungszahl mit dem bloßen Auge nicht mehr verfolgen.
Bei den Wirbeln in der Plasteflasche sowie bei den entsprechenden Wirbeln über der Abflußöffnung einer Badewanne handelt es sich um Hohlwirbel bei denen die Flüssigkeit um den hohlen Kern kreist. Solche Wirbel werden mit dem etwas mißverständlichen Namen "drehungsfreies Wirbelfeld" bezeichnet; neutraler ist der Ausdruck Potentialwirbel dafür. Für solche Wirbel gilt im Idealfall (Reibung vernachlässigt):
u * r = const
Wegen
u= w * r
mit w = 2nf = Kreisfrequenz = Winkelgeschwindigkeit
und f= Drehfrequenz = Umdrehungen pro Zeiteinheit

ergibt sich
w ~ 1/r2 bzw. f ~ 1/r2

Je mehr man sich dem Zentrum nähert, um so mehr nimmt die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehfrequenz zu. Bei einer üblichen 2-Liter-Flasche beträgt der Anfangsradius etwa 5 cm; die Drehfrequenz dort etwa f = 1 s-1. Im eigentlichen Tornado-Rohr (r = 0,5 cm) ergibt sich dann eine Drehfrequenz von f = 100 s-1, d.h. eine enorme Zunahme. Weitere Experimente lassen sich durchführen, indem man den Durchmesser der Bohrung im Tornado-Rohr verändert; bei kleinerem Durchmesser braucht das Wasser länger. Irgendwann schafft man es nicht mehr, einen Wirbel anzuregen. Übrigens läßt sich ein Tornado-Rohr nicht mit einem Korken mit einer langen Mittenbohrung realisieren, da sich dort kein Hohlwirbel ausbilden kann. Deswegen ist es günstig, zwei Metallschraubverschlüsse zu nehmen, da diese relativ dünn sind und sich dicht aufeinanderkleben lassen. Ein Dauerwirbel läßt sich erzeugen, indem man eine Flasche am Boden aufschneidet oder aufbohrt und über einen Schlauch dauernd Wasser nachlaufen läßt, während sich unten ein ganz normaler, mit einer Bohrung versehener Schraubverschluß oder auch ein Tornado-Rohr ohne die zweite Flasche befindet.