Sonntag, 15. April 2012

Der Untergang der "Titanic" - für Physiker

Am heutigen Tag, dem 15. April, in der Frühe um 2.17 Uhr (Bordzeit) - aber vor genau einhundert Jahren - ging das britische Passagierschiff "Titanic" vor Neufundland unter. Über diese Havarie, bei der ca. 1.500 Passagiere den Tod fanden und ca. 700 gerettet wurden, sind nicht weniger als zehn Spielfilme gedreht und an die 3.000 Bücher geschrieben worden. Ich möchte für ein weiteres Buch Werbung machen, das diese Tragödie mit den Mitteln der Physik beschreibt. Metin Tolan, derzeit Professor für Experimentelle Physik an der Technischen Universität Dortmund hat es geschrieben; der Piper-Verlag brachte es unter dem Titel "Titanic - Mit Physik in den Untergang" in den Buchhandel (17,99 Euro).  Aber keine Angst vor den eigenen fehlenden Physikkenntnissen, das Buch ist didaktisch raffiniert aufgebaut: der Haupttext ist allgemein verständlich geschrieben, die Formeln und Berechnungen verbergen sich in den Fussnoten und sollten auch für aufgeweckte Gymnasiasten zu verstehen sein. Einige wichtige Kapitel werden im Folgenden in aller Kürze dargestellt.


Buch über "Titanic" von Mettin Tolan

Wie wiegt man ein Schiff?

Die Titanic wog etwa 53.000 Tonnen. Doch woher weiss man das eigentlich? Man kann so ein grosses Schiff natürlich nicht wie ein Pfund Bananen auf die Waage legen. Auch erscheint es nicht praktikabel, dieses Gesamtgewicht aus dem Gewicht der Einzelteile zu bestimmen. Diese hätte man dann ja alle beim Einbau wiegen müssen, um am Ende das Gesamtgewicht bestimmen zu können. Tolan dröselt diese Frage auf, indem er seine Leser behutsam an die physikalischen Phänomene Auftriebskraft und Schwerkraft heranführt und dann zu dem Ergebnis kommt: Die Auftriebskraft entspricht der Gewichtskraft der Flüssigkeit, welche von dem eingetauchten Körper verdrängt wird. Man muss also nur herausbekommen, wieviel Wasser das Schiff verdrängt, wenn es schwimmt. So simpel ist das!

Auf ähnlich einfache Weise beschreibt Tolan die Wellenausbreitung am Bug des Schiffes. Sie hat einen Öffnungswinkel von 39 Grad, u. zw. unabhängig von der Geschwindigkeit des Schiffs. Ganz erstaunlich ist, dass auch Enten und Schwäne den gleichen (universellen) Öffnungswinkel erzeugen, wenn sie auf einem See schwimmen.  Durch relativ einfache Überlegungen mit dem Widerstandsbeiwert kann man errechnen, dass die Titanic bei 51.000 Wellen-PS eine Höchstgeschwindigkeit von 21 Knoten erreichen konnte. Sie war als nicht auf Geschwindigkeit getrimmt ( die "Mauretania" erreichte damals schon 25 Knoten), weswegen auch das immer wieder vorgebrachte Gerücht nicht stimmt, der Kapitän der Titanic hätte auf seiner Jungfernfahrt das "Blaue Band des Ozeans" erringen wollen.

Wie begegnet man einem Eisberg?

Ich lasse das mittlere Kapitel des Buches aus, in dem man viel über den 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik rekapitulieren kann und wo der Laie lernt, dass der Wirkunggrad einer Dampfmaschine immer deutlich unter 100 Prozent liegt. "There is no free lunch", bemerkt der Autor augenzwinkernd.
Als am 14. April nachts um 23.40 Uhr die beiden Matrosen im Ausguck unmittelbar vor sich einen riesigen Eisberg erkannten - zu spät, weil sie an diesem Abend ihre Feldstecher nicht finden konnte - waren schnelle Entscheidungen der Brückenoffiziere erforderlich. Der Erste Offizier William Murdoch - der Kapitän Edward J. Smith war bereits zu Bett gegangen -  entschloss sich spontan, das Ruder herumzureissen mit dem Ziel den Eisberg links ohne Kollision zu umschiffen. Leider war es für dieses Manöver bereits zu spät: die rechte Bugseite krachte mehrmals an den Eisberg, die Nieten sprangen auf und über sechs Abteilungen hinweg schoss das Wasser in die Titanic. Für den Autor ist dies eine wunderbare Gelegenheit uns Physiker wieder einmal mit den längst vergessenen Bernoulli-Gleichungen vertraut zu machen.

Die britischen Schifffahrtsbehörden diskutierten Monate später, ob es nicht sinnvoller gewesen wäre, den Eisberg frontal zu rammen, anstatt backbords herumzufahren. Tolan verneint diese Option, denn sie hätte den sofortigen Tod von 200 Seeleuten (die im vorderen Teil des Schiffes untergebracht waren) mit sich gebracht; ausserdem hätte sich sehr viel Wasser im Bug angesammelt und diesen Schiffsteil schnell zum Sinken gebracht. Darüberhinaus entsprach es nicht den Regeln der Schiffsführung frontal einen Eisberg rammen.

Wie schnell sinkt ein Schiff?

Die beschriebenen Manöver hatten Kapitän Smith wach werden lassen. Er eilte zur Brücke, sah den riesigen Eisberg vor sich und beauftragte den Schiffszimmermann die Leckstellen zu orten. Dieser stellte fest, dass Wasser in breiter Front über sechs Abteilungen der rechten Bugseite einströmte. Dann liess der Kapitän den Konstrukteur des Titanic, Thomas Andrews, kommen. Dieser machte ihm rasch klar, dass das Schiff wegen dieser Leckgrösse unweigerlich verloren sei. Die Zeit bis zum Untergang veranschlagte der erfahrene Schiffsbauer auf eineinhalb bis zwei Stunden. Im Buch werden die Gesetze der Hydrodynamik angewendet und Tolan kommt bei 30 Metern Lecklänge auf eine verhältnismässig kleine durchschnittliche Spaltbreite von 3,6 Zentimeter. In Summe entspricht das aber immerhin einer Leckfläche von ca. einem Quadratmeter.

Zurück zur Schiffsführung. Ihr war von diesem Moment an klar, dass die Titanic nicht mehr zu rettten war. Prioritär war es jetzt, das Schiff möglichst langsam sinken lassen, um die Passagiere in die Rettungsboote zu bringen und eventuelle Schiffe in der Nachbarschaft per Funk herbei rufen zu können. Unter allen Umständen musste vermieden werden, dass das Schiff Schlagseite bekam und dadurch schnell kenterte und sank. Das eingedrungene Wasser war also möglichst gleichmässig auf das Bugvolumen zu verteilen. Das konnte mit Schotttüren und Pumpen erreicht werden.

Wie platziert man die Rettungsboote?

Es ist bekannt, dass es auf der Titanic nur 16 Rettungsboote und vier Faltboote gab, die allenfalls zur Aufnahme von tausend Passagieren ausreichten. Das Schiff hatte aber 2.224 Personen an Bord, 1.316 Passagiere und 908 Besatzungsmitglieder. Trotzdem stand die Kapazität der Rettungsboote im Einklang mit den Schifffahrtsgesetzen der damaligen Zeit. Das Reisen per Schiff galt zu jener Zeit als überaus sicher. So sind in den 40 Jahren vor dem Untergang der Titanic ganze vier Menschen bei Seereisen über den Atlantik ums Leben gekommen, wobei kein einziger wirklich ertrunken ist. Diese traumhafte Quote für ein Verkehrsmittel sollte in der Geschichte bis heute einmalig bleiben. Die neuen Schiffe, wie die Titanic, mit ihren abgeschotteten Abteilungen, wurden von den britischen Reedern als noch sicherer angesehen.

Leider wurden die von der Reeling über 18 Metern Tiefe zur Meeresoberfläche gelassenen Rettungsboote nur zum Teil besetzt. Viele Plätze blieben leer. Im Wasser wurden die Boote von den Matrosen mit allen Kräften vom Schiff weggerudert, weil man befürchtete, durch dessen Sog beim Untergang in die Tiefe gerissen zu werden. Ins eiskalte Meer (ca. Null Grad Celsius) gesprungene Passagiere konnten also nicht aufgenommen werden. Auch später, nach dem Untergang der Titanic, getraute man sich nicht zurück zu rudern, weil die Vielzahl der im Wasser herumtreibenden Schiffsbrüchigen die Boote beim Besteigen aus Panik möglicherweise zum Kentern gebracht hätten.

Der Autor unseres Buches weist nach, dass die Furcht vor dem vermeintlichen Sog leider ein verhängnisvoller Irrglaube war. Zu einem Sog gehört nachströmendes Wasser, doch wohin sollte dieses beim Sinken des Schiffs nachströmen? Da der Kapitän durch gute Seemannschaft die Titanic ganz langsam absinken liess, konnte es gar keine nennenswerten Luftblasen im Schiffsinnern mehr geben; dementsprechend auch kein nachströmendes Wasser und damit keine Sogwirkung beim Untergang.

Metin Tolan bringt als beweiskräftiges Gegenbeispiel, wenn jemand vom Zehn-Meter-Turm in einem Schwimmbad eine, pardon, "Arschbombe" macht. Hier drückt der ins Wasser springende Körper das Wasser in sehr kurzer Zeit zur Seite und Luft füllt zunächst diesen Freiraum. Als Folge davon strömt von allen Seiten blitzschnell das Wasser in diesen Bereich und trifft sich in der Mitte, wo es zusammenprallt und als grosse Fontäne nach oben geschleudert wird. Hierbei ist durch Nachströmen kurzzeitig ein grosser Sog entstanden, der alles Wasserin der Nähe des Eintauchpunktes in die Mitte und auch in die Tiefe zieht. Hätte man die Titanic in einem Freibad von einem Sprungturm geworfen, dann hätte sich beim Eintauchen bestimmt ein immenser Sog gebildet und die Angst in den Rettungsbooten wäre begründet gewesen. Das langsame Sinken des Luxusliners war hingegen völlig ungefährlich.

Was geschah mit dem Wrack?

Das Wrack der Titanic ist nach zwei Stunden und vierzig Minuten gesunken. Kurze Zeit danach nahm der Passagierdampfer "Carpathia", welcher sich in der Nähe befand, die noch lebend im Meer herumtreibenden und die in den Rettungsbooten sitzenden 711 Passagiere auf und brachte sie nach New York. 1.513 Besatzungsmitglieder und Passagiere fanden den Tod.

1985 fanden französische und amerikanische Unterwasserarchäologen mit speziell konstruierten Tauchbooten die Überreste der Titanic in einer Tiefe von etwa 3.800 Metern. Dabei kam die neueste Sonartechnik zur Anwendung, was auch Metlin in seinem Buch beschreibt. Die Taucher orteten drei grosse Teile, nämlich den Bug des Schiffes, das Heck und ein kleineres Zwischenteil. Darum herum lagen Trümmer der verschiedensten Grössen. Die grossen Teile müssen mit einer Stundengeschwindigkeit von 70 Kilometern auf den Meeresboden aufgeschlagen sein, wie einfache physikalische Rechnungen ergeben. Mittlerweile hat man 5.000 kleine Artefakte geborgen und z. T. für viel Geld versteigert. Die Rechte an diesem Unternehmen hält ein ehemaliger amerikanischer Autohändler. Mittlerweile werden auch Tauchfahrten für Titanic-Freaks angeboten. Das Ticket kostet 60.000 Dollar und beinhaltet das letzte Menü, welches damals in der ersten Klasse serviert wurde: Austern, Filet Mignon, Gänsleberpastete.

Glück und Gesundheit! Und zwar beides zusammen. Gesundheit aber auch Glück. Denn die Menschen auf der "Titanic" waren zwar gesund, hatten aber kein Glück.
(Guido Westerwelles Antwort auf die Frage, was er den Menschen für das Jahr 2010 wünsche)

Kommentare:

  1. Physiker können eben alles erklären

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  2. Physiker können eben alles

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  3. Mit der Macht bzw. dem Wissen der Physik ist nun mal alles möglich, mitunter auch die Rekonstruktion eines solchen Unglückes. Wie Wahrheitsgetreu der Schiffsuntergang im Film "Titanic" dargestellt wurde, bleibt ein großes Geheimnis, zumindest bis zum Kauf dieses Buches ;)

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