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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:
Wenn wir unser Modellflugzeug anwerfen bewegt sich das Flugzeug durch die Luft. Die Tragfläche wird dabei von Luft umströmt. Stellen wir uns mal vor, wir würden nun neben dem Modell herlaufen und die Tragfläche von der Seite betrachten. Würden wir jetzt noch die Luft sehen könnten, würden wir sehen, dass die Luft sich teilt und oberhalb wie unterhalb der Tragfläche entlang strömt. Das folgende Bild zeigt in der Mitte das Tragflächenprofil. Die Linie oberhalb und unterhalb am Profil entsprechen dabei den Wegen, welche die beiden Luftteilchen nehmen, wenn diese die Tragfläche umströmen. Diese werden Strömungslinien genannt. Natürlich gibt es von diesen Linien noch viel mehr, die wir aber der Einfachheit halber mal weglassen.

Anstellwinkel:
Jeder von euch kann in einem kleinen Experiment den Einfluss des Anstellwinkels mal ausprobieren:

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:
Was ihr außerdem bei dem Experiment spürt, ist eine Kraft, die euer Hand nach hinten drückt. Diese Kraft wird umso größer, je weiter ihr die Hand aus der waagerechten wegdreht. Anders ausgedrückt je größer der Anstellwinkel je größer ist diese Kraft. Diese Kraft ist der Windwiderstand. Die Richtungen der beiden entstehenden Kräfte sind im folgenden Bild als Pfeile dargestellt.

 

 

 

Die Kräfte können wir im Experiment spüren, aber wodurch werden diese Erzeugt?

 

 

Zur Entstehung des Auftriebes gibt es verschiedene Theorien:

 

Die Bernoulli-Theorie:

Dies ist die meist verbreitete Erklärung für den Auftrieb und haben viele von euch bestimmt schon mal gehört. Schauen wir mal wie diese Theorie den Auftrieb erklärt:

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.
Dann öffnen wir den Wasserhahn und halten Profil in Strömungsrichtung in den Wasserstrahl.

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.
Damit der Wasserstrahl umgelenkt werden kann ist eine Kraft erforderlich. Das Profil muss dazu nach links gedrückt werden.
Die Kraft die dazu erforderlich ist, wirkt sich beim Flugzeug als Auftrieb aus.

 

Wird der Winkel zu groß, kann die Strömung nicht mehr dem Profilverlauf folgen. Die Strömung reißt ab.
Wer den Effekt noch nicht spüren konnte, kann das Ganze noch mal mit einem Esslöffel wiederholen.
Bei diesem kommt die Wölbung noch Kraft verstärkend hintzu.

 

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.
Diese Theorie basiert auf einer Zirkulation der Luft ums Profil. Klinkt schon kompliziert und ist auch nicht einfach zu verstehen.
Jedoch hat man herausgefunden, dass hier ähnliche Formeln verwendet werden können, wie es sie beim Elektromagneten gibt.
Da diese Formeln sich gut zum Berechnen des Auftriebes eignen, verwendet man diese gerne zum Berechnen modernen Hochleistungsprofilen.

 

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