Theodore von Kármán · Kármán Tódor · 1881–1963 — ein Muster, das einer Regel gehorcht. Oben strömt es wirklich: jeder Wirbel ist gerechnet, nicht gemalt.
01 Das Phänomen
Strömt ein Fluid um einen stumpfen Körper — einen Zylinder, einen Brückenpfeiler, einen Schornstein —, dann löst es sich nicht ruhig wieder zusammen. Oberhalb einer kritischen Geschwindigkeit lösen sich abwechselnd an beiden Seiten gegenläufig drehende Wirbel ab und schwimmen stromabwärts: ein periodisches, gestaffeltes Muster. Genau das läuft oben im Windkanal.
02 Die Kennzahlen
Kármáns Strömung hängt nicht an Metern oder Sekunden, sondern an zwei reinen Verhältniszahlen. Die eine bestimmt das Regime, die andere den Takt — und Letztere bleibt verblüffend konstant.
Das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften — der „Regler", an dem die Wirbelstraße hängt. Klein: zähe, laminare Umströmung. Groß: die Trägheit gewinnt, der Nachlauf wird turbulent.
Die dimensionslose Ablöse-Frequenz. Über einen weiten Bereich (Re ≈ 10²–10⁵) liegt sie nahezu konstant bei St ≈ 0,2 — die Wirbel lösen sich erstaunlich regelmäßig ab. Genau das zeigt der Live-Readout oben: dreh an Re, St bleibt bei ~0,2.
Die wechselnde Ablösung erzeugt eine oszillierende Querkraft senkrecht zur Strömung — sie lässt Drähte „singen" und ist ein Auslegungsthema im Bauwesen (etwa die wendelförmigen Strakes an Schornsteinen). Der Einsturz der Tacoma-Narrows-Brücke (1940) wird oft schlicht der Wirbelstraße zugeschrieben — das ist irreführend: Billah & Scanlan (1991) zeigten, dass die Torsions-Eigenfrequenz deutlich neben der Ablöse-Frequenz lag. Ursache war aeroelastisches Flattern, eine selbsterregte Schwingung, nicht einfache Wirbelresonanz.
03 Wirbel in den Wolken
Strömt Wind um eine hohe, isolierte Insel, entsteht in der Wolkenschicht exakt dieselbe Wirbelstraße — kilometerweit, von NASA-Satelliten festgehalten. Der „sweet spot" liegt grob bei 18–54 km/h Wind. Vier dokumentierte Schauplätze, jeder ein lehrbuchreiner Beweis, dass Kármáns Regel im Großen wie im Kleinen gilt:
Kanaren · Atlantik
Kap Verde · Westafrika
Guadalupe Island · Pazifik
Grönlandsee · Arktis04 Der Mensch
Kármán Tódor, geboren 1881 in Budapest, wird zum vielleicht einflussreichsten Aerodynamiker des 20. Jahrhunderts — von Göttingen über Aachen bis nach Kalifornien.
Am 11. Mai als Kármán Tódor. Sein Vater Mór Kármán, ein einflussreicher Bildungsreformer, gründet das Minta-Gymnasium, die Budapester Modellschule.
Privatdozent in der Hochburg der Strömungslehre. Aus den Wirbel-Experimenten (überliefert: der Doktorand Karl Hiemenz und seine „nicht symmetrische" Rinne) entsteht 1911/12 die theoretische Stabilitätsanalyse der Wirbelstraße.
Ab Februar leitet er das Institut; im Ersten Weltkrieg u. a. Militärdienst und Mitarbeit an einem der ersten schwebefähigen, gefesselten Hubschrauber.
Wechsel nach Pasadena, erster Direktor des Guggenheim Aeronautical Laboratory — auch vor dem Hintergrund des Aufstiegs der Nationalsozialisten in Deutschland.
Die Raketen-Experimente rund um Frank Malina und Jack Parsons münden ins Jet Propulsion Laboratory (Gründung 1944, Kármán erster Direktor); 1942 Mitbegründer von Aerojet.
Er erhält als Erster überhaupt die National Medal of Science aus der Hand von Präsident Kennedy. Wenige Wochen später, am 7. Mai, stirbt er in Aachen — kurz vor seinem 82. Geburtstag.
05 Vom Wirbel zur Rakete
Derselbe Kopf, der die Wirbelablösung berechnete, baute die Institutionen, aus denen das amerikanische Raumfahrtprogramm hervorging. Eine kurze Kette.
Am Caltech wird das aeronautische Graduierten-Labor zur Keimzelle moderner Raketenforschung in den USA.
Malina, Parsons & Co. experimentieren mit Feststoff- und Flüssigtreibstoffen — riskant genug für den Spitznamen.
Aus den Versuchen wird das Jet Propulsion Laboratory — heute NASA-Zentrum für robotische Planetenmissionen.
Mitbegründung zur Entwicklung von Raketentriebwerken — der Brückenschlag von der Theorie in die Industrie.
06 Die Kármán-Linie
Sogar die Grenze zum Weltraum trägt seinen Namen — aber Vorsicht: Es sind zwei verschiedene Dinge, die oft verwechselt werden.
Kármán berechnete ein theoretisches Höhenlimit für den Tragflächenflug: Dort ist die Luft so dünn, dass aerodynamischer Auftrieb bei Unterorbitalgeschwindigkeit nicht mehr ausreicht — man müsste so schnell fliegen, dass man ohnehin in eine Umlaufbahn überginge.
Die runde 100-km-Linie ist eine spätere Festlegung der Fédération aéronautique internationale als konventionelle Grenze zwischen Atmosphäre und Weltraum — ohne scharfe physikalische Bedeutung. Der Übergang ist in Wahrheit graduell.
07 Vermächtnis
Reynolds- und Strouhal-Zahl, Grenzschicht, Wirbelablösung — Kármáns Werkzeuge sind bis heute das Grundvokabular jeder Aerodynamik.
Schornsteine, Masten, Brücken und Wolkenkratzer werden gegen wirbelinduzierte Schwingungen ausgelegt — mit Strakes, Dämpfern und der richtigen Form.
GALCIT, JPL, Aerojet und die Kármán-Linie: Von der Wirbeltheorie führt eine direkte Linie ins Zeitalter der Raumfahrt.