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Die Kraft des Windes

Der Naturgewalt Wind auf der Spur

Kräftige Orkanböen brausen um die Eiche, der alte Baum neigt sich ächzend zur Seite, die Äste peitschen wild umher. Wie lange kann ein Baum den Naturgewalten trotzen? Welchen Einfluss hat die Windgeschwindigkeit auf den Luftwiderstand eines Gegenstands? Wie verändern Größe und Form die Strömungseigenschaften eines Objekts? Probiere es hier aus!

Die Kraft des Windes starten

In dieser Szenerie wurden als Windgeschwindigkeit 39,4 Meter pro Sekunde eingestellt und als Objekt eine Kugel gewählt. Für die Fläche im Wind hat man sich für 33,6 Quadratmeter entschieden, dies ergibt einen cw-Wert von 0,67. Das Gegengewicht wurde mit 100 kg angegeben.

Funktionsweise der Interaktivität

Das Zusammenspiel verschiedener Faktoren wie Form des Objektes, Angriffsfläche im Wind und Windgeschwindigkeit wird in dieser Interaktivität simuliert. Das gewählte Objekt – zum Beispiel ein Baum, ein Auto oder eine Plakatwand – befindet sich auf einem Rollwagen, der in Bewegung gerät, wenn die Gewichtskraft des Gegengewichts kleiner ist als der Luftwiderstand. Es wird davon ausgegangen, dass der Wind nicht auf den Rollwagen wirkt. Teste die verschiedenen Objekte in der schonungslosen Kraft des Windes!

Windgeschwindigkeit

Die Windstärke für das Experiment lässt sich mit dem Schieberegler einstellen. Es sind Werte zwischen 0 und 12 auf der Beaufort-Skala und Werte zwischen F0 und F5 auf der Fujita-Skala möglich. Beide Skalen lassen sich über den Info-Button aufrufen.

Detailansicht der Wind-Simulation: Baum im Wind

Ein Baum bricht bei der Wind-Geschwindigkeit von 33,9 Meter pro Sekunde fast durch.

Der Wind wird nach seiner Geschwindigkeit in verschiedene Windstärken eingeteilt. Sir Francis Beaufort entwickelte dazu im Jahre 1806 eine zwölfteilige Skala. Die Skala ist mit wenigen, kleinen Veränderungen bis heute gültig. Die Einheit zur Bezeichnung der Windstärke heißt zu Ehren des Entwicklers bft (Beaufort). Die Angaben zur Windgeschwindigkeit in der Beaufort-Skala beziehen sich auf die mittleren Windstärken innerhalb von 10 Minuten. Die Böen des Windes erreichen im Allgemeinen größere Geschwindigkeiten als in der Skala angegeben.

Zumeist ist diese Skaleneinteilung völlig ausreichend, da in unseren Breitengraden nur sehr selten höhere Geschwindigkeiten als 35 Meter pro Sekunde auftreten. Die Fujita-Skala dagegen kennzeichnet Tornados auch nach größeren Windgeschwindigkeiten. Tornados werden nach ihrer Stärke beispielsweise als F3- oder F4-Tornado bezeichnet. Die Skala reicht von F0 bis F10. Die größte je gemessene Geschwindigkeit eines Tornados gehörte in den Bereich F5.

Objekte im Wind

Der cw-Wert gibt Auskunft über die Windschlüpfrigkeit eines Körpers. Er hängt von der Form und Größe eines Gegenstands ab und kann sich in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit ändern. Je kleiner der cw-Wert, desto kleiner ist auch der Luftwiderstand. Einen besonders kleinen cw-Wert hat die Tropfenform.

Detailansicht der Wind-Simulation: Plakatwand im Wind

Die Plakatwand mit einer Fläche von 40 Quadratmeter biegt sich sehr stark bei Windstärke 12.

Bei einer flachen Wand ist der cw-Wert nahezu konstant (1,5). Für viele Formen ändert sich dieser Wert bei Vergrößerung des Objekts und durch eine erhöhte Windgeschwindigkeit. Das ist zum Beispiel bei einer Kugel (0,1 bis 0,8) oder einem Zylinder - hier dem Schornstein (0,3 bis 0,9) - der Fall.

Auch für ein Haus (1,3) oder ein Auto (0,325) ändern sie die cw-Werte in Abhängigkeit von der Größe und Windgeschwindigkeit etwas. In dieser Simulation wird mit konstanten Werten gerechnet.

Der Baum (1,1 bis 0,4) ist ein besonderer Fall. Bei geringem Wind hat er einen vergleichsweise großen Luftwiderstand. Bei starkem Wind sinkt der cw-Wert, der Wind bläst durch das Laub hindurch und der Baum neigt sich zur Seite.

Fläche im Wind

Mithilfe des Schiebereglers lässt die Fläche der Objekte im Wind einstellen. Je nach Gegenstand sind Werte zwischen 0,1 und 40 Quadratmeter möglich.

Detailansicht der Wind-Simulation:  einstürzender Schornstein

Bei einer Windstärke von F4 stürzt der Schornstein ein.

Die Fläche im Wind ist die projizierte Fläche des Gegenstands. Vorstellen kann man sich das als die Fläche des Schattens, den der Körper an eine Wand werfen würde, wenn er von vorne mit parallelen Lichtstrahlen beleuchtet wird.

Der Luftwiderstand eines Körpers steigt mit der Fläche im Wind an. Eine Verdoppelung der Fläche verdoppelt auch den Luftwiderstand. Die Voraussetzung ist allerdings, dass der cw-Wert sich nicht mit der Größe des Gegenstands ändert. Das ist hier zum Beispiel bei der Plakatwand, dem Haus und Auto der Fall. Bei dem Schornstein, der Kugel und dem Baum ändert sich aber der cw-Wert mit der Größe und der Windgeschwindigkeit.

Gewichte wählen

Durch die Kombination verschiedener Gewichte (1000 kg, 100 kg, 10 kg und 1 kg) lässt sich jedes gewünschte Gegengewicht für den Rollwagen einstellen.

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