Was ist in der Physik eine Grenzschicht?
Eine Grenzschicht entsteht, wenn ein Fluid an einer festen Oberfläche vorbeiströmt. Es wird typischerweise als der Bereich des Fluids definiert, dessen Geschwindigkeit weniger als 99% des ungehinderten Fluidstroms beträgt. Mit anderen Worten, es ist die Zone eines sich bewegenden Fluids, die durch eine stationäre Oberfläche um mehr als 1 Prozent verlangsamt wird. Die Grenzschicht wurde definiert, um die Strömungsmechanik besser zu verstehen, indem die Strömung in zwei Bereiche unterteilt wird, die ein unterschiedliches Verhalten aufweisen. Auch Bereiche innerhalb und außerhalb der Grenzschicht erzeugen auf unterschiedliche Weise Reibung.
Ein frühes Problem in der Aerodynamikforschung war die Lösung der komplexen Navier-Stokes-Gleichungen, von denen angenommen wird, dass sie den Flüssigkeitsfluss steuern. In vielen Fällen sind die Lösungen der Navier-Stokes-Gleichungen nicht bekannt. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Fluidströmung zwei allgemeine Verhaltensweisen aufwies: laminar und turbulent. Die laminare Strömung ist eine gleichmäßige und vorhersehbare Strömung wie die eines Balls, der durch Honig fällt. Turbulente Strömungen sind zufällig und heftig, wie sie aus einem Feuerwehrschlauch kommen.
Die Grenzschicht trennt diese beiden Fluidströmungszonen. Innerhalb der Grenzschicht ist die Strömung hauptsächlich laminar. In diesem Bereich wird das Fließverhalten von viskosen Spannungen dominiert. Die viskose Spannung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit eines vorbeifahrenden Objekts. Eine hochviskose Flüssigkeit, wie Honig, bewirkt eine starke Reibung bei Objekten, die sich schnell durch die Flüssigkeit bewegen. Die laminare Strömung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ohne Unregelmäßigkeiten in parallelen Linien fließt.
Außerhalb der Grenzschicht ist die Fluidströmung überwiegend turbulent. Eine turbulente Strömung, ob in einer Flüssigkeit oder einem Gas, zeigt ein ähnliches Verhalten. Chaotische Schwankungen in Geschwindigkeit und Richtung der Partikel machen genaue Vorhersagen nach heutigem Kenntnisstand unmöglich. Die Wirkung der Reibung bei turbulenter Strömung unterscheidet sich ebenfalls von der laminaren Strömung. Die Reibung ist im Allgemeinen nicht mehr proportional zur Flüssigkeitsgeschwindigkeit im turbulenten Zustand.
Der Grund, warum Golfbälle Grübchen aufweisen, hängt mit der Grenzschicht der Luft zusammen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten, wie zum Beispiel beim Putten, würde ein perfekt kugelförmiger Golfball kein großes Problem mit der Luftreibung haben. Bei einem Hochgeschwindigkeitsflug hätten sphärische Golfbälle jedoch eine größere Grenzschicht als Noppenbälle - was bedeuten würde, dass mehr Luft laminar vorbeiströmt. Diese laminare Strömung würde tatsächlich mehr Luftreibung verursachen als eine turbulente Strömung. Golfbälle mit Vertiefungen fliegen weiter als ihre kugelförmigen Gegenstücke, da sie eine kleinere Grenzschicht haben und nicht so viel Luftreibung erfahren.