Ehrenamt & Wissenschaftsvermittlung
Feuerwehr & Physik
Warum steigt Rauch nach oben? Was hat Wärme mit Strömungen zu tun? Physik aus dem Feuerwehralltag – einfach erklärt und mit kleinen Simulationen veranschaulicht.
Physik im Feuerwehralltag
Neben meiner wissenschaftlichen Tätigkeit engagiere ich mich ehrenamtlich bei der Freiwilligen Feuerwehr Erzhausen. Dort begegnen mir viele Phänomene, die sich mit einfachen physikalischen Ideen erklären lassen – von Wärme und Rauch bis hin zu Wasserströmungen und Druckverlusten.
Ich möchte mich bei meinen Kameradinnen und Kameraden der Freiwilligen Feuerwehr Erzhausen herzlich dafür bedanken, dass ich Teil der Gemeinschaft sein und mit ihnen zusammenarbeiten und lernen darf.
Auf dieser Seite verbinde ich meine Begeisterung für Physik mit meinem Ehrenamt. Die Erklärungen richten sich ausdrücklich auch an Menschen ohne naturwissenschaftliches Studium. Wer tiefer einsteigen möchte, findet zusätzlich Gleichungen, Modellannahmen und Python-Simulationen.
Dies ist eine persönliche, unabhängige Seite zur Wissensvermittlung und keine offizielle Veröffentlichung der Freiwilligen Feuerwehr Erzhausen. Sie ersetzt keine Ausbildung, Dienstvorschrift oder einsatztaktische Beurteilung.
Ausprobieren: Warum steigt warme Luft?
Bei gleichem Druck hat wärmere Luft eine geringere Dichte. Dadurch erfährt ein warmes Luftpaket in kühlerer Umgebung eine Auftriebskraft. Verändere die Temperaturen und beobachte, wie sich der Dichteunterschied verändert.
Interaktives Gedankenexperiment
Das wärmere Luftpaket erfährt Auftrieb.
Vereinfachtes ideales Gas bei gleichem Druck und gleicher Zusammensetzung: ρ ∝ 1/T (Temperaturen in Kelvin). Die Beschleunigung berücksichtigt weder Luftwiderstand noch Vermischung, Wände oder weitere Kräfte; sie ist keine Vorhersage einer Rauchgeschwindigkeit.
1. Warum steigt Rauch nach oben?
Bei einem Brand erwärmen Flammen und heiße Oberflächen die umgebende Luft. Zusammen mit den gasförmigen Verbrennungsprodukten bildet sich eine heiße Mischung. Diese ist häufig weniger dicht als die kühlere Umgebungsluft. Die Schwerkraft wirkt auf beide – aber die umgebende, dichtere Luft erzeugt eine resultierende Auftriebskraft auf die warme Mischung.
So entsteht eine thermische Auftriebsströmung: Warme Gase steigen auf, kühlere Luft strömt nach. In einem geschlossenen Raum kann sich die aufsteigende Strömung unter der Decke seitlich ausbreiten. Rauchpartikel werden dabei durch die Gasströmung mittransportiert. Entscheidend ist also nicht, dass jeder einzelne Rauchpartikel „von selbst“ nach oben fliegt.
Was zeigt unser Modell? Eine Wärmequelle am Boden erwärmt ein vereinfachtes Fluid. Ein passiver Tracer macht die resultierende Strömung sichtbar. Es wird weder Feuer noch Verbrennung berechnet.
Welche Fluidgleichungen verwenden wir?
Die Python-Simulation löst ein zweidimensionales, inkompressibles Strömungsmodell in der Boussinesq-Näherung. Die Dichte wird dabei als nahezu konstant behandelt; kleine temperaturbedingte Dichteunterschiede erscheinen nur im Auftriebsterm. Für sehr heiße Brandgase ist diese Näherung nicht mehr ausreichend.
1. Massenerhaltung
Die Geschwindigkeit u ist divergenzfrei: Das Modell behandelt die Luft als inkompressibel.
2. Impulserhaltung
Der letzte Term beschreibt den thermischen Auftrieb. Hier ist θ die Temperaturabweichung von der Umgebung; b ist ein dimensionsloser Modellparameter für die Stärke des Auftriebs. In einer dimensionalen Form wäre b = gβ.
3. Temperaturtransport
Die Temperatur wird durch die Strömung transportiert, durch Wärmeleitung verteilt und durch eine vorgeschriebene Quelle erhöht. Der zusätzliche lineare Abkühlterm ist eine bewusst vereinfachte Modellannahme.
4. Transport eines Rauchtracers
Die Konzentration c ist ein passiver Tracer. Sie folgt der berechneten Strömung, diffundiert und wird nahe der Wärmequelle freigesetzt. Rußbildung, Partikelgrößen, Ablagerung und Chemie sind nicht enthalten.
5. Numerische Lösung
Statt den Druck direkt zu lösen, verwendet das Programm in 2D die Stromfunktion ψ und die Wirbelstärke ω. Mit u = ∂ψ/∂y und v = −∂ψ/∂x gilt ω = −∇²ψ. Damit wird die Druckvariable aus der Wirbelstärkegleichung eliminiert:
Im Code werden die Advektion semi-Lagrangesch, die Diffusion mit finiten Differenzen und die Poisson-Gleichung mit einem dünnbesetzten linearen Solver behandelt. Die Randbedingungen sind vereinfacht; das Ergebnis ist qualitativ zu verstehen.
Python-Simulation: Aufsteigender warmer Rauch
Die beiden Bilder zeigen links die Temperaturabweichung und rechts die Konzentration des passiven Rauchtracers. Die türkisen Pfeile zeigen die berechnete Strömungsgeschwindigkeit. Beide Felder entwickeln sich aus einer lokalisierten Quelle am unteren Rand.
