Auch wenn das Rauchen derzeit aus gesundheitlichen Gründen nicht besonders hoch im Kurs steht, bewundern die meisten Raucher, die – mit gewisser Übung – durch eine annähernd kreisrunde Mundöffnung eine kleine Menge Zigarettenrauch ausstoßen und dabei perfekte Rauchringe erzeugen. Die Kunst wird auch von manchen Feuerschluckern beherrscht, die dabei eine explosionsähnliche Verpuffung herbeiführen. Manchmal entstehen die rauchigen Ringe aber auch einfach „von selbst“ (Abb. 1). Doch was ist das Besondere daran? Rauchringe sind extrem stabil, bei ruhigen Luftverhältnissen im Raum dauert es etliche Minuten, bis sie sich auflösen. Und das hat mit ihrer Entstehungsgeschichte zu tun!
Rauchringe – Spielereien mit qualmenden Schachteln und Flaschen
Um der Sache auf die Spur zu kommen (und natürlich der Spielerei wegen; alle Physiker sind doch irgendwie Spieler…) ist Praxis angesagt. Für Raucher kein Problem, doch welcher Nichtraucher qualmt schon gern zu Experimentierzwecken? Aber es gibt Alternativen! Sie können eine Zigarettenschachtel oder (besser) eine kleinere Gebäck- oder Pralinenschachtel „paffen“ lassen.
Die durchsichtige Hülle schieben Sie nun ein klein wenig nach außen, neben der Packung entsteht ein durchsichtiger Hohlraum (Abb. 2). Mit einem Räucherstäbchen (Sie wollten ja nicht rauchen, oder?) brennen Sie oben ein kleines Loch in die Folie und füllen dann den Raum mit dem Rauch. Alternativ kann man als geschickter Bastler an eine kleine Schachtel mit Loch auch einen Frühstücksbeutel luftdicht ankleben. Nun genügt es, mit dem Finger leicht von unten gegen die Folie zu schnipsen und es entstehen Rauchringe an der kleinen Öffnung. Und damit die Show perfekt wird, können Sie den Raum abdunkeln und den Rauch mit einer Lampe seitlich anleuchten.
Auch eine durchsichtige PET- oder Waschmittelflasche mit runder Öffnung ist eine (gesundheitspolitisch korrekte) Alternative. Legen Sie die (gut gesäuberte und trockene) Flasche auf einen Tisch. Nun gilt es, die Flasche mit Rauch zu befüllen. Gut geeignet sind hierfür ebenfalls Räucherstäbchen, die man für eine Weile in die Flasche hält. Auch Räucherkegelchen haben sich bewährt. Man entzündet sie und deponiert sie dann (mit einer Schere, Pinzette oder kleinen Zange) vorsichtig in der Flasche. Warten Sie auf jeden Fall, bis sich genug Rauch in der Flasche gebildet hat, evtl. decken Sie die Flaschenöffnung mit Alu oder Folie ab. Und jetzt geht es los: Mit den Fingern schlagen Sie oben kurz auf die Flasche. Die Rauchringe, die sich jetzt an der Öffnung bilden, sind größer und schweben sanft durchs Zimmer. Je kürzer und kräftiger Sie schlagen, umso schneller und stabiler werden die Ringe.
Auch ein richtiges Wirbelrennen lässt sich veranstalten. Einem langsamen Ring kann man einen schnellen hinterherschicken, der den ersten einholt und durch ihn hindurchschlüpft. Wenn Sie in Übung sind, richten Sie ihre Wirbelkanone auf eine brennende Kerze und versuchen sie, diese „auszuschießen“. Nur Mut, der Abstand der Kerze kann sogar einige Meter betragen.
So entstehen die stabilen Rauchringe
Aber wie kommen die Rauchringe zustande und vor allem: Warum sind sie so stabil? Luftwirbel entstehen beim Schlagen auf die Flasche oder Schachtel immer, der Rauch macht sie (nur) sichtbar. Mit jedem Schlag werden Rauch- und Luftteilchen aus der Öffnung herausgequetscht. Allerdings werden sie am Rand durch die Reibung gebremst; in der Mitte strömen die Teilchen schneller (Abb. 3, Fall a).
Wenn sich die Geschwindigkeit einer Strömung ändert, so hat dies Einfluss auf die Druckverhältnisse in der Strömung. Mit diesem Problem beschäftigte sich schon Anfang des 18. Jahrhunderts der Naturwissenschaftler Daniel Bernoulli. Die Kernaussage der von Bernoulli gefundenen Gesetzmäßigkeit lautet, dass der Druck in einer Gas- oder Flüssigkeitsströmung abnimmt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt (und umgekehrt). Der schnell strömende Rauch in der Mitte erzeugt also einen Unterdruck. Eine gute, wenn auch nicht ganz richtige Vorstellung ist, dass sich bei dem kurzen Rauchstoß, den Sie auf die Reise geschickt haben, die Rauch- und Luftteilchen in der Mitte einfach viel schneller entfernen können als die Randteilchen. Hinter ihnen ist die Luft sozusagen „dünner“.
Luft versucht stets, Druckunterschiede auszugleichen, so entstehen beispielsweise Winde. Also fließt sofort Luft von außen in diesen Unterdruckbereich hinein und wird von der Strömung leicht mitgerissen (Abb. 3, Fall b). Nun spielt die zeitliche Kürze des Stoßes eine wichtige Rolle: Da die Luftströmung nämlich abrupt abbricht, kräuselt sich die Strömung um den Rand der Öffnung herum und bildet einen beständigen Wirbelring (Abb. 3, c). In diesem strömen die Luft- und Rauchteilchen innen vorwärts und außen wieder zurück, sie werden durch den Wirbel eingeschlossen (Abb. 3, d). Dies ist auch der Grund für die Stabilität des Rauchrings. Die nachströmende Luft bewirkt zudem, dass der Rauch in der Mitte verdünnt wird und so den Wirbelring erst gut sichtbar macht. Kommen die Teilchen jedoch kontinuierlich und dauerhaft aus Flasche oder Schachtel, strömt ebenfalls Luft von außen nach, ein Wirbel kann sich jedoch nicht ausbilden.
Bei einem Räucherkegelchen oder einer Räucherkohle kann also ein natürlicher Rauchring entstehen, wenn durch eine abrupte Verbrennung in einem kurzen Zeitintervall viel (oder auch wenig) Rauch entsteht und dieser dann einen Wirbel ausbildet. Dies tritt besonders bei den gepressten Kegelchen bzw. den Kohletabletten für die Shisha-Pfeife oder zum Räuchern auf.