Strömungswiderstand beim Tauchen

Taucher arbeitet sich waagerecht und gestreckt gegen eine kräftige Strömung an einer Riffkante voran, die Gorgonien sind gleichgerichtet umgelegt. — Illustration, mit Google Gemini erzeugt.

Der Strömungswiderstand ist die Kraft, die das Wasser einem Taucher entgegensetzt, sobald er sich gegenüber dem Wasser bewegt. Ob er selbst schwimmt oder ob die Strömung an ihm zerrt, macht dabei keinen Unterschied — es zählt allein die Relativgeschwindigkeit. Diese Kraft entscheidet darüber, wie viel Arbeit ein Tauchgang kostet, und damit auch über den Gasverbrauch.

Die Formel und was in ihr steckt

Der Strömungswiderstand folgt einer Gleichung, die in jedem Physikbuch steht:

F_w = ½ · c_w · ρ · A · v²

Dabei ist F_w der Betrag der Widerstandskraft, c_w der dimensionslose Widerstandsbeiwert der Körperform, ρ die Dichte des Mediums, A die Stirnfläche senkrecht zur Anströmung und v die Anströmgeschwindigkeit. Drei dieser Größen kann ein Taucher beeinflussen, eine nicht.

Die wichtigste Eigenschaft der Gleichung steht im Exponenten: Der Widerstand wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Die aufzubringende Leistung wächst sogar mit der dritten Potenz — bei doppelter Geschwindigkeit ist nach LEIFIphysik die achtfache Strömungsleistung nötig.

Warum das unter Wasser so viel mehr ausmacht als an Land

In der Gleichung steht die Dichte des Mediums als direkter Faktor. Süßwasser hat nach dem Lehrbuch für Forschungstaucher von König und Lipp eine Dichte von 1,00 Kilogramm je Liter, Salzwasser rund 1,03. Luft wiegt demgegenüber 1,293 Gramm je Liter. Damit liegt die Dichte des Wassers etwa beim 770-Fachen der Luftdichte — bei gleicher Form, gleicher Stirnfläche und gleicher Geschwindigkeit setzt Wasser also ein Vielfaches dessen entgegen, was ein Spaziergänger an Land spürt.

Das ist der Grund, warum eine Geschwindigkeit, die an Land lächerlich wirkt, unter Wasser zur Grenze wird. Wer im Wasser schneller als im gemächlichen Bummelschritt vorankommen will, arbeitet gegen eine Kraft, die mit jedem Zuwachs überproportional wächst.

Die drei Stellschrauben

Geschwindigkeit (v). Sie geht im Quadrat ein und ist damit die mit Abstand wirksamste Größe. Langsamer werden spart mehr als jede Ausrüstungsentscheidung — und im Gegenstrom ist die eigene Geschwindigkeit ohnehin das Einzige, was zur Strömungsgeschwindigkeit hinzukommt.
Stirnfläche (A). Sie ist das, was der Taucher dem Wasser als Querschnitt anbietet. Ein waagerecht liegender Taucher mit angelegten Armen zeigt eine schmale Fläche; ein schräg im Wasser stehender Taucher mit angewinkelten Knien zeigt eine große. Darin liegt der physikalische Kern des Trimms: Er ist keine Stilfrage, sondern eine Verkleinerung von A.
Form (c_w). Sie entscheidet, wie sauber das Wasser den Körper umströmt. Frei hängende Schläuche, baumelnde Instrumente, seitlich abstehende Taschen und eine lose Boje erhöhen den Beiwert und erzeugen zusätzlich Wirbel. Hier zahlt sich das Aufräumen der Ausrüstung aus, ohne dass ein Gramm Blei bewegt werden muss.

Die vierte Größe, die Dichte, ist nicht verhandelbar. Sie ändert sich nur beim Wechsel zwischen Süß- und Salzwasser, und zwar um drei Prozent.

Was das in der Strömung bedeutet

DAN nennt für Strömungstauchgänge eine klare Grenze: „Divers should not dive in currents greater than 1 knot without proper training and experience.“ Zur Einordnung führt DAN an, dass ein Gegenstand in einem Knoten Strömung 1,68 Fuß je Sekunde zurücklegt, und stellt fest, dass es bei kräftigen zwei Knoten schwierig werde, die Position allein durch Flossenschlag zu halten.

Für Tauchgänge, die gegen die Strömung beginnen, empfiehlt DAN die Drittelaufteilung des Gasvorrats: ein Drittel für den Hinweg, ein Drittel für den Rückweg, ein Drittel als Reserve. Umgekehrt beobachtet DAN, dass erfahrene Driftdiver oft weniger Gas verbrauchen — weil sie deutlich weniger flossen. Beide Beobachtungen sind dieselbe Gleichung von zwei Seiten: Wer sich mit dem Wasser bewegt, hat keine Relativgeschwindigkeit und damit fast keinen Widerstand.

Widerstand ist Gasverbrauch

Der Strömungswiderstand ist keine abstrakte Größe, sondern erscheint unmittelbar auf dem Finimeter. Jede überwundene Kraft ist Muskelarbeit, jede Muskelarbeit erzeugt Kohlendioxid, und Kohlendioxid treibt den Atemantrieb. In der Tiefe kommt hinzu, dass das Atemgas dichter wird und die Atemarbeit ohnehin steigt — beides trifft im ungünstigsten Moment zusammen und mündet im Zweifel in einen CO₂-Rückhalt.

In der Ausbildung sehe ich immer wieder dieselbe Reaktion: Sobald es zieht, wird schneller geflossen. Physikalisch ist das die teuerste aller möglichen Antworten, weil die Kraft mit dem Quadrat und die Leistung mit der dritten Potenz mitwächst. Die billigen Antworten sind langsamer werden, sich flach hinlegen, in Bodennähe oder in den Strömungsschatten gehen und die Ausrüstung eng am Körper führen.

Warum hilft Langsamerwerden mehr als jede andere Maßnahme?

Weil die Geschwindigkeit als einzige Größe quadratisch eingeht. Wer statt mit doppelter nur mit einfacher Geschwindigkeit schwimmt, viertelt die Widerstandskraft; die nötige Leistung fällt sogar auf ein Achtel. Eine bessere Lage im Wasser oder aufgeräumte Schläuche wirken linear über Stirnfläche und Beiwert — spürbar, aber nicht in dieser Größenordnung.

Bringt Trimm wirklich so viel, oder sieht er nur gut aus?

Er verkleinert die Stirnfläche, und die steht als Faktor direkt in der Gleichung. Ein schräg im Wasser stehender Taucher bietet dem Wasser die Fläche seines gesamten Rumpfes an, ein waagerecht liegender im Wesentlichen nur seinen Querschnitt. Dazu kommt, dass ein schräger Taucher mit jedem Flossenschlag nach oben statt nach vorn arbeitet — die Arbeit wird also nicht nur größer, sondern auch zu einem Teil nutzlos.

Warum verbrauche ich in Strömung so viel mehr Luft?

Weil der Widerstand Muskelarbeit verlangt, Muskelarbeit Kohlendioxid erzeugt und das Atemminutenvolumen dem Kohlendioxid folgt. Der Zuwachs ist deshalb nicht proportional zur Anstrengung, sondern folgt ihr über die Atemregulation — und die Anstrengung selbst wächst schon überproportional mit der Geschwindigkeit. Driftdiver, die sich treiben lassen, verbrauchen aus demselben Grund auffällig wenig.

Quellen

LEIFIphysik: Strömungswiderstand und c_w-Wert — die Gleichung F_w = ½ · c_w · ρ · A · v², die Bedeutung der Formelzeichen, die quadratische Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und die achtfache Leistung bei doppelter Geschwindigkeit.
König/Lipp, Lehrbuch für Forschungstaucher, Kapitel 1 (PDF) — die Dichten von Süß- und Salzwasser mit 1,00 und rund 1,03 Kilogramm je Liter.
DAN, Alert Diver: Current Dives — die Ein-Knoten-Grenze ohne entsprechende Ausbildung, 1,68 Fuß je Sekunde bei einem Knoten, die Lage bei zwei Knoten, die Drittelaufteilung beim Gegenstromtauchgang und der geringere Verbrauch beim Driftdiving.

Zur Quellenlage: Der Dichtevergleich zwischen Wasser und Luft ist eine eigene Rechnung aus zwei getrennten Angaben: 1,00 Kilogramm je Liter Süßwasser nach König/Lipp und 1,293 Gramm je Liter Luft, wie sie bereits dem Eintrag zum Auftrieb zugrunde liegt. Ein gemessener c_w-Wert für einen ausgerüsteten Taucher liegt nicht vor — deshalb nennt dieser Eintrag dazu keine Zahl, sondern beschreibt nur die Richtung der Wirkung.