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Warum Flugzeuge fliegen Bevor wir uns nun die verschiedenen Theorien (also die Erklärungsversuche für den Auftrieb) ansehen, müssen wir erst mal einige Begriffe kennenlernen. Die Strömung der Luft / Strömungslinien:
Anstellwinkel: Haltet ihr in einem fahrenden Auto die Hand aus dem Fenster, wird sie beim entsprechenden Neigungswinkel, dem so genannten Anstellwinkel, nach oben gedrückt. Kehrt ihr den Anstellwinkel um, drückt der Fahrtwind die Hand nach unten. Die Flügel eines Flugzeugs reagieren wie in diesem Experiment. Schauen wir uns das mal an unserem Profil an:
Der Anstellwinkel befindet sich zwischen der Bewegungsrichtung der Tragfläche durch die Luft und der Profilsehne. Die Profilsehne ist dabei die Linie zwischen der vordersten Position des Profils bis zur hintersten Position.
Widerstand:
Die Kräfte können wir im Experiment spüren, aber wodurch werden diese Erzeugt?
Zur Entstehung des Auftriebes gibt es verschiedene Theorien:
Die Bernoulli-Theorie: Der Schweizer Wissenschaftler Daniel Bernoulli hatte da eine Formel entwickelt, die auf die Strömung um eine Tragfläche passen könnte: Die Luftteilchen an der Oberseite der Tragfläche müssen doch einen längeren Weg zurücklegen, als die Luftteilchen an der Unterseite. Damit beide Strömungen Hinter der Fläche wieder zusammen kommen, muss folglich die Geschwindigkeit oben schneller sein als unten. Nun ist es so, dass bei hohen Strömungsgeschwindigkeit der statische Luftdruck abnimmt und bei kleinen Strömungsgeschwindigkeit der statische Luftdruck steigt (Venturi-Effekt). Dadurch entsteht auf der Oberseite der Tragfläche ein Unterdruck und auf der Unterseite ein Überdruck. Die klingt erst mal einleuchtend, aber bei näherer Betrachtung hat die Sache einen Haken. Berechnet man die Kräfte, welche durch die Druckunterschiede erzeugt würden, kann man feststellen, das diese nicht ausreichen würden, um ein Flugzeug in die Luft zu heben. Es schein so, als sei diese Theorie nur bedingt richtig.
Klassische Mechanik (Newton) Richtig und am einfachsten vorzustellen ist jedoch die Erklärung durch die Mechanik. Ein physikalisches Gesetz entdeckt durch einen Forscher namens Isaac Newton besagt, dass eine Masse (in unserem Fall die Luftmoleküle) ihre Bewegungsrichtung beibehalten, es sei denn es wirkt eine Kraft an ihnen.
Ein kleines Beispiel dazu: Beim Fußballspielen in der Turnhalle rollt ein Ball geradewegs auf das Tor zu. Es scheint so, als gäbe es gleich ein Tor. Da der Torwart dies natürlich verhindern möchte, muss er etwas unternehmen. Er tritt nun mit dem Fuß den Ball aus seiner Laufbahn heraus. Beim Tritt gegen den Ball spürt er eine Kraft von vorne gegen die Schuhspitze. Diese Kraft wurde dazu benötigt den Ball umzulenken.
Nun ein kleiner Versuch unter dem Wasserhahn. Entweder wir nehmen ein altes
Rotorblatt oder schleifen uns aus einem Holzrest ein ähnliches Profil.
Dass Profil wird nun vom Wasserstrahl umströmt. Nun Schwenken wir das Profil etwas zu einer Seite. In Fliegersprache ausgedrückt: Wir geben dem Profil etwas Anstellung.
Wie wir beobachten können, wird der Wasserstrahl
durch den Einfluss des Profils umgelenkt.
Wird der Winkel zu groß, kann die
Strömung nicht mehr dem Profilverlauf folgen. Die Strömung reißt ab.
Jetzt zurück zu Physik und der Erklärung was da passiert: Durch die Tragflächen passiert nichts anderes, als dass Luft nach unten umgelenkt wird. Die dazu erforderliche Kraft wird von der Tragfläche erzeugt, nur halt kontinuierlich. Kontinuierlich bedeutet, dass diese Kraft länger auftritt, halt solange, wie die Strömung in Richtung und Stärke weiter auf das Profil einwirkt. Die Teil der Kraft, die dabei am Profil entsteht wird für uns als Auftriebskraft nutzbar. Leider entsteht aber auch der bereits oben genannte Widerstand.
Hier das Ganze noch mal bildlich erklärt, damit es besser zu verstehen ist:
Also merken wir uns: Der Auftrieb wird durch Umlenken der Luft nach unten erzeugt.
Theorie der Zirkulation Der Vollständigkeit halber sei aber
auch erwähnt, dass es noch eine weitere Theorie gibt.
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