Warum fliegt ein Flugzeug? Der Grund liegt in der Luftströmung und zwar erzeugt schnell strömende Luft einen Unterdruck! Hier die kurze Herleitung der sog. Bernoulligleichung:

Bei einem Tragflügel strömt die Luft auf der Oberseite schneller als unten. Dadurch ist der dynamische Druck 1/2 · ρ · v² oben größer als unten. Demnach muss aber der statische Druck oben kleiner sein als unten, sprich auf der Oberseite des Tragflügels herrscht ein Unterdruck. Der Tragflügel erfährt also eine Kraft nach oben!

Mit einem sog. Venturirohr lässt sich dieser wichtige Umstand experimentell nachweisen. Das Venturirohr verfügt in der Mitte über eine Engstelle. Dort strömt die Luft schneller und erzeugt demnach einen Unterdruck.

Mit Wasser gefüllten U-Röhren lässt sich dieser Unterdruck nachweisen. Venturiröhren kann man über Schulmittelfirmen beziehen. Es gibt sie aber auch deutlich günstiger, etwa auf Aliexpress:

In der Mitte verfügt dieses Venturirohr bereits über einen Schlauchanschluss. An den beiden Rohrenden muss ich erst einen mittels Schlauchtüllen anfertigen. Die Luftströmung erzeuge ich mit einer Gebläsepumpe. Eine solche habe ich günstig auf  http://www.willhaben.at gekauft.

Ich habe mich bewusst für die 12V-Variante und nicht jene für 230V entschieden, da ich dann die Windgeschwindigkeit mit einem gewöhnlichen Labornetzteil oder meinem Laptop-Netzteil (https://stoppi-homemade-physics.de/labornetzteil/) variieren kann.

Das Venturirohr aus China ist inzwischen angekommen und ich durfte ganze 6 Euro Zoll für das 4 Euro-Teil bezahlen. Normalerweise habe ich mit Aliexpress-Bestellungen aber keinerlei Probleme…

Die U-Rohrmanometer bastel ich mir selbst aus gewöhnlichen PVC-Schlauch und die Halterungen dafür fertige ich aus einer Kunststoffplatte vom Baumarkt + Kabelbinder:

Es musste ja einmal bei all meinen Basteleien so kommen: Beim Schneiden der Platten nahezu direkt auf meinem Oberschenkel hinterließ ich eine schöne Erinnerung in meiner Jeans…

Eine nun fällige neue Hose macht dieses Experiment zu einem meiner teuersten 😉

Der fertige Aufbau unter Verwendung eines praktischen Laborstativs (z.B. über Amazon für rund 30 Euro erhältlich).

Noch ohne Gebläse/Luftströmung: Kein Unterschied der Wasserspiegel.

Mit Gebläse/Luftströmung: Es ist ein Unterschied der Wasserspiegel zu beobachten.

Im linken U-Rohr-Manometer war keinerlei Höhenunterschied feststellbar. Warum ist dies so? Nun, der Querschnitt dort beträgt etwa das 10-fache des Querschnitts in der Mitte bei der Verengung. Dadurch ist die Luftgeschwindigkeit v links ca. nur mehr 1/10 im Vergleich zur Mitte. Der dynamische Druck proportional zu v² beträgt dann aber links nur noch 1/100 verglichen zur Verengungsstelle. Dadurch ist der statische Druck links nahezu unverändert und gleich dem Umgebungsdruck.

---

Es gibt weitere schöne Freihandversuche zur Bernoulli-Gleichung und zwar einmal das Prinzip eines Zerstäubers, dann der im Luftstrom eines Föns gefangene Tischtennisball und zuletzt der singende Luftballon.

Für das Experiment „Zerstäuber“ benötigt man lediglich zwei Trinkhalme und ein mit Wasser gefülltes Glas. Ordnet man die beiden Trinkhalme wie abgebildet an und bläst stark durch den horizontalen Trinkhalm, so wird das Wasser im zweiten Trinkhalm nach oben gesogen und dann zerstäubt. Der Grund ist wieder der Unterdruck am oberen Ende des vertikalen Trinkhalms aufgrund der großen Strömungsgeschwindigkeit. Schnell strömende Luft mit einer großen Geschwindigkeit v bedingt ja wie wir nun wissen einen Unterdruck. Dadurch wird das Wasser nach oben gesaugt und kann zerstäubt werden.

Für den zweiten Versuch brauchen wir nur einen Fön und einen Tischtennisball. Schaltet man den Fön ein und richtet diesen nach oben, so kann man einen Tischtennisball in die Strömung geben, ohne dass dieser zur Seite oder nach unten fällt. Er ist und bleibt quasi im Luftstrom gefangen. Der Grund ist abermals die Bernoulli-Gleichung.

Bewegt sich der Tischtennisball zur Seite zum Beispiel nach links, so wird er auf seiner rechten Seite stärker von Luft umströmt. Die Luftgeschwindigkeit rechts ist nun größer als auf der linken Seite und dadurch entsteht rechts ein Unterdruck, der den Tischtennisball wieder nach rechts in Richtung Mitte lenkt.

Zudem beginnt der Tischtennisball entgegen dem Uhrzeiger zu rotieren, wenn er sich links von der Strömungsmitte befindet. Dadurch rotiert er auf seiner rechten Seite in Strömungsrichtung und links entgegen der Strömung, wodurch dort die Luft abgebremst wird. Die Luft auf der rechten Seite hat daher eine höhere Geschwindigkeit als links und erzeugt rechts einen Unterdruck…

Für den singenden Luftballon benötigen wir nur einen gewöhnlichen Luftballon. Diesen bläst man auf und dann zieht man die Ballonöffnung mit seinen Fingern mal mehr und mal weniger in die Breite. Macht man alles richtig, ertönt ein nervender Ton.

Was hat dieses Experiment aber mit der Bernoulligleichung zu tun? Strömt Luft schnell durch die Öffnung, so erzeugt sie einen Unterdruck innerhalb dieser. Dadurch wird die Öffnung durch den Umgebungsdruck zusammengepresst und die Luftströmung hört auf. Ohne Luftströmung besteht aber auch kein Unterdruck mehr und die Ballonöffnung öffnet sich wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich sehr oft in der Sekunde mit der Frequenz f. Wird hören dadurch einen Ton mit ebendieser Frequenz. Und dieser Ton treibt dann fast alle in den Wahnsinn 😉