Coanda-Effekt

Wann immer eine strömende Flüssigkeit oder ein strömendes Gas von einer Oberfläche angezogen zu werden scheint und an ihr entlangfließt, dann wird von dem Effekt gesprochen, den der rumänische Physiker Henri Marie Coandă 1910 entdeckt hat.

Der Coanda-Effekt ist zunächst nur eine Beobachtung, aber noch keine Erklärung. Diese wird hier gegeben:

1. Weil Luftschichten aneinander reiben, kann eine Luftschicht nicht in Ruhe bleiben, wenn die über ihr in eine Richtung strömt. Wenn aufgrund eines Objekts keine Luft nachströmen kann, entsteht Unterdruck.

2. Durch den entstandenen Unterdruck wird bereits die ursprüngliche Strömung abgelenkt. (Der Unterdruck wirkt weiterhin und kompensiert gerade die Fliehkraft, die auf das strömende Medium wirkt, wo es auf die gekrümmte Bahn gezwungen wird.)

Luft an Objekt

Luft hat eine innere Reibung (Zähigkeit, Viskosität). Wenn sich eine Luftschicht bewegt, dann reißt sie deshalb auch die Luftschicht darunter mit.
Wenn die Luftschicht darunter von der Oberfläche eines Objekts weggerissen wird, dann entsteht dort Unterdruck.
Der Unterdruck zieht die Luft von der ursprünglichen Strömungsrichtung hinunter entlang der Oberfläche.^[1]

So entsteht der Coanda-Effekt. Aber es lässt sich noch mehr sagen:

Der Unterdruck wirkt genauso auf die Oberfläche des Objekts. Die Kraft, die die strömende Luft ablenkt und die Kraft, die die Oberfläche anzuheben versucht, sind gleich groß. Die Richtung der beiden Kräfte ist genau entgegengesetzt. (3. Newton'sches Gesetz)
Im Endeffekt scheint es so, als würden Luft und Oberfläche einander anziehen. Diese scheinbare Anziehungskraft nenne ich "Coanda-Kraft".

Damit kann man gut verstehen, wie die Kräfte auf Flugzeugflügel, Hausdächer, Regenschirme, fliegende Bälle usw. wirken.

Grenzen

Luft folgt nicht beliebig starken Krümmungen. Bei zu großer Umlenkung (z. B. 10–15°) kommt es zum Strömungsabriss: Die Luft folgt nicht mehr der Oberfläche und die entsprechenden Kräfte wirken nicht mehr. Es kommt stattdessen zu Verwirbelungen.

Wenn sich ein fliegender Ball dreht, dann zieht er auf einer Seite die Luft weiter mit als auf der anderen (sofern die Drehachse nicht genau in Flugrichtung zeigt). Auf einer Seite wirkt daher eine größere "Coanda-Kraft" als auf der anderen. Der Ball fliegt daher in einer Kurve. Das ist der Magnus-Effekt.

Alles Geschriebene gilt sowohl für Luft als auch für die meisten anderen Gase, wenn sie nicht extrem hohen oder niedrigen Druck haben und wenn sie sich nicht mit Überschallgeschwindigkeit bewegen.

Flüssigkeit an Festkörper

Löffel werden vom Wasserstrahl angezogen.

Hält man einen Löffel in einen Wasserstrahl, dann folgt das Wasser seiner gewölbten Oberfläche und verlässt diese in einer anderen Richtung als es gekommen ist. Die dazugehörige Kraft, die den Löffel in den Wasserstrahl zieht, kann man fühlen.

Trotz augenscheinlich gleichem Effekt ist die Erklärung hier eine andere:

Wasser haftet auf Oberflächen (Adhäsion – was selbst wieder ein Oberbegriff und noch keine Erklärung ist).
Wasser hält auch zusammen (Kohäsion, Oberflächenspannung). Das erklärt, wieso der ganze Strahl mitgerissen wird und nicht nur eine dünne Schicht auf der Löffeloberfläche entlang läuft.

In diesem Fall sind drei Medien beteiligt (Gas, Flüssigkeit, Festkörper). Der Coanda-Effekt tritt grundsätzlich aber auch dann auf, wenn die Flüssigkeit entlang eines Festkörpers strömt (ohne Luft), genauso wie wenn Luft entlang eines Festkörpers strömt, denn auch Flüssigkeiten haben nomalerweise eine innere Reibung.

Ausnahme

Manche Flüssigkeiten (z. B. Helium) werden bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts "superfluid", d. h. es gibt keinerlei Reibung mehr in ihnen. Das ist ein Effekt so wie Supraleitung, wo Stromleiter bei extremer Kälte jeglichen Widerstand verlieren.

Verwendung

Der Coanda-Effekt wird von Autoren nicht einheitlich definiert. Ich verwende eine der umfassendsten Definitionen.

Interessanterweise kommt der Coanda-Effekt in Schulbüchern kaum vor,^[2] obwohl einige dort dargestellte Phänomene damit zu erklären wären – und nicht mit der falsch angewandten Bernoulli-Gleichung.

Weiter

Physik eines Flugzeugflügels

Quellen

[1]

Peter Eastwell: Bernoulli? Perhaps, but What About Viscosity? (PDF), S. 5

[2]

Von meinen ca. zehn Schulbüchern mit einem Abschnitt über Strömungslehre nennt kein einziges den Coanda-Effekt.
Peter Eastwell: Bernoulli? Perhaps, but What About Viscosity? (PDF), S. 5 – "Curiously, neither entrainment nor the Coanda effect, concepts critical to an understanding of so many everyday phenomena, are typically found in the common literature dealing with the subject."
Klaus Weltner: Misinterpretations of Bernoulli's Law (PDF), S. 5 – "As a rule, physics textbooks neglect the treatment of normal acceleration of fluids in curved streamlines. The neglect of pressure gradients related to curved streamlines is disastrous because the mechanism producing low pressure in streaming fluids is thus made impossible to be understood."

Seite erstellt am 16.11.2019 – letzte Änderung am 14.3.2023

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