Einfluss der Viskosität auf die Schwimmgeschwindigkeit (Schwimmen in Sirup)
Mit einem ungewöhnlichen Experiment konnte der Chemieingenieurprofessor Ed Cussler und sein Team zeigen, dass der Widerstand, wie von Counsilman vorausgesagt, im Quadrat mit der Schwimmgeschwindigkeit zunimmt. Dies ist charakteristisch für turbulente Strömungsverhältnisse. Der Frontalwiderstand bzw. die Körperform ist der entscheidende Faktor für die mögliche Geschwindigkeit bei gegebener Vortriebskraft. Der Mensch lässt sich strömungsmechanisch gesehen nicht mit Fischen oder im Wasser schwimmenden Bakterien vergleichen.
Professor Ed Cussler von der University of Minnesota und eine Gruppe von waghalsigen Schwimmern führten ein unorthodoxes wissenschaftliches Experiment im Schwimmbecken durch. Das Uni-Becken wurde im Sommer 2004 für einige Stunden in etwas umgewandelt, das eher einem Sumpf als einem Schwimmbecken gleicht. Die Mitglieder des Uni-Schwimmklubs wurden Forscher, um eine jahrhundertealte Frage zu beantworten, die Schwimmer und Wissenschaftler gleichermassen beschäftigte: Welchen Einfluss hat die Viskosität (Zähflüssigkeit) einer Flüssigkeit auf die Schwimmgeschwindigkeit eines Körpers? Für das Experiment wurden 700 Pfund (318 Kilo) Guar-Mehl ins Becken gekippt (Guar bildet mit Wasser eine Art Gel) - damit wurde eine doppelt so hohe Viskosität im Vergleich zu Wasser erzielt.
Im ersten Teil des Experiments mussten die Schwimmer und weitere Freiwillige Längen in verschiedenen Lagen auf Zeit schwimmen. Es wurden auch Flossen und Widerstand-leistende Anzüge ausprobiert. Nach Duschen und Ausruhen wurden die Tests im mit normalem Wasser gefüllten Nachbarsbecken wiederholt.
Ergebnis:
Schwimmen im Schleim (Gel) hat keinen Einfluss auf die Schwimmgeschwindigkeit.
Das überraschende Resultat wird damit erklärt, dass das Gel zwar mehr Widerstand biete, jeder Schwimmzug aber auch mehr Schub nach vorne bringe. Beide Effekte würden sich in diesem Fall ausgleichen. Leichte Unterschiede zwischen dem Versuch im Gel und dem im Wasser beruhen eher auf den verschiedenen stromlinienförmigen Körpern der Schwimmer.
Die Resultate passen aber sehr gut mit der Theorie zusammen, dass der Frontalwiderstand der Schlüssel für die Schwimmgeschwindigkeit beim Menschen ist. Dies im Unterschied zu Bakterien, die so klein sind, dass das Wasser laminar um sie fliesst. Auch im Unterschied zu Fischen, bei denen der Antrieb bei praktisch nicht existierendem Frontalwiderstand mit Hilfe von zweidimensionalen Wirbeln erzeugt wird. Beim Menschen fliesst das Wasser turbulent um den ganzen Körper.
Für den Menschen bedeutet das Resultat, dass es nicht darauf ankommt worin man schwimmt, sondern welche Körperform man hat. Wenn sich Vortrieb und Oberflächenwiderstand neutralisieren, bleibt nur noch der Frontalwiderstand (Begriffserklärung). Dieser wird durch die von vorne (in Schwimmrichtung) gesehene Fläche eines Körpers bestimmt.
Der perfekte Schwimmer in Wasser und Gel hat kräftige Muskeln und einen möglichst kleinen Frontalwiderstand. "Der ideale Schwimmer sollte einen Körper wie eine Schlange und die Arme eines Gorillas haben," empfiehlt Cussler (der Leiter des Experiments).
Das Ergebnis des turbulenten Flusses wirft zwei Anschlussfragen auf: Erstens: wie stark müsste die Viskosität zunehmen bis sie entscheidend würde, und zweitens: stimmt das Ergebnis überein mit dem, was Schwimmtrainer glauben?
Die Antwort der Strömungsmechanik auf die erste Frage ist, dass die Viskosität etwa 1000-Mal grösser sein müsste, bis sie die anderen Faktoren überwiegt. Zweitens stimmen die Ergebnisse mit den empirischen Beobachtungen von vielen Schwimmtrainern überein. Wie von Counsilman 1968 vorgeschlagen hängt der Widerstand nicht linaer sondern quadratisch von der Schwimmgeschwindigkeit ab, was charakteristisch ist für turbulente Strömung. Cusslers Experiment untertützt Counsilmans Axiom. Die Trainer haben in Bezug auf die Strömungsmechanik richtig getippt.
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