Haben Sie sich jemals gefragt, wie ein tonnenschweres Flugzeug scheinbar mühelos in den Himmel aufsteigt, den Gesetzen der Schwerkraft trotzend? Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Aerodynamik und entdecken Sie die Geheimnisse des Fliegens. Dieses Buch enthüllt auf leicht verständliche Weise die grundlegenden Prinzipien, die Flugzeuge, aber auch Vögel in der Luft halten. Von den ersten Flugversuchen der Pioniere bis hin zu den komplexen aerodynamischen Konzepten moderner Flugzeuge, werden die elementaren Kräfte wie Auftrieb, Widerstand, Schub und Schwerkraft anschaulich erklärt. Erfahren Sie mehr über den Bernoulli-Effekt und seine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Auftrieb, die Bedeutung des Anstellwinkels und wie Strömungsabrisse vermieden werden. Entdecken Sie die Funktionsweise von Tragflächen, Leitwerken und Steuerungsorganen und wie diese zusammenarbeiten, um ein Flugzeug präzise zu manövrieren. Die Bionik spielt eine entscheidende Rolle, indem sie aufzeigt, wie die Natur als Vorbild für aerodynamische Innovationen diente. Dieses Buch richtet sich an alle, die sich für Luftfahrt, Physik und die Wissenschaft des Fliegens interessieren, und vermittelt fundiertes Wissen ohne komplizierte mathematische Formeln, was es sowohl für Einsteiger als auch für erfahrene Luftfahrtenthusiasten ideal macht. Es beleuchtet zudem die verschiedenen Arten von Widerstand, die auf ein Flugzeug wirken, und wie Ingenieure durch clevere Konstruktionen wie Winglets den Treibstoffverbrauch senken. Lassen Sie sich von der Aerodynamik begeistern und verstehen Sie die Magie, die hinter jedem Flug steckt – eine Reise von den ersten Träumen der Menschheit bis zur modernen Luftfahrttechnologie. Dieses Buch ist Ihr Schlüssel zum Verständnis der komplexen Zusammenhänge von Luftströmungen, Auftrieb und Flugzeugdesign, mit dem Ziel, die Wunder der Aerodynamik für jeden zugänglich zu machen. Es bietet einen fundierten Einblick in die physikalischen Grundlagen des Fliegens, erklärt komplexe Sachverhalte anhand von anschaulichen Beispielen und Illustrationen und vermittelt ein tiefes Verständnis für die Kräfte, die ein Flugzeug in der Luft halten.
Inhalt
Einleitung
1.Grundlagen der Aerodynamik
1.1.Was ist Aerodynamik?
1.2.Wie ist ein Flugzeug Aufgebaut?
1.3.Warum erzeugt ein Flügel Auftrieb?
1.4.Was ist der relative Wind?
1.5.Was ist der Anstellwinkel?
1.6.Welche Kräfte halten ein Flugzeug in der Luft?
1.7.Was treibt ein Flugzeug an?
1.8.Was bremst ein Flugzeug?
1.9.Der Bernoulli-Effekt
1.10...Wie steuert ein Flugzeug?
1.11...Was waren die Vorbilder der Flugzeuge? Aerodynamik und Bionik
2Erste aerodynamische Kenntnisse und erste Flugversuche
3Was ist die perfekte Flügelform?
Quellen
Einleitung
Der Traum vom fliegen, sich wie ein Vogel in die Lüfte erheben ist einer der älteste Träume der Menschheit. Seit es Vögel gab, gab es Menschen, die an den Himmel schauten und sich fragten wie dies möglich sei und der Wunsch kam auf selbst einmal mit ihnen dort Oben zu fliegen. Doch seitdem sich die Menschen diese Frage stellten, gab es auch Pioniere unter Ihnen, die sich diesen Traumes etwas mehr annahmen als die Anderen, die nur davon träumten. Sie beobachteten die Vögel und die Weise wie sie flogen, um sich selbst dem Himmel etwas näher zu bringen, daraus sammelten sie genug Erkenntnisse, um daraus eine Wissenschaft zu machen – Die Aerodynamik. Sie ist der Grundstein für die gesamte Luftfahrt, obgleich ein Vogel, ein Papierflugzeug oder ein hundert Tonnen schweres Passagierflugzeug, sie alle fliegen nach aerodynamischen Gesetzten. Ich nahm mir dieses Thema an, weil ich selbst einer dieser Menschen bin der je zum Himmel blickte und davon fazsiniert war, wenn etwas vorbei flog, sei es ein Flugzeug oder ein Vogel gewesen.
Der Ursprung der Fliegerrei könnte dabei wesentlich länger zurückliegen als je angenommen. Sind beispielsweise die Pharaonen bereits vor tausenden von Jahren geflogen oder hatten wenigstens fliegerisches Wissen? Die Antwort darauf sowie die auf die Frage warum ein Flugzeug fliegt, die Geschichte wie es flog und wie es sich im Laufe der Zeit entwickelte und weiterentwickelte werde ich hier beantworten und dies so einfach wie möglich doch zugleich so wissenschaftlich wie möglich. Eins vorweg: Wer zur Erklärung der obigen Fragen nach rein mathematische Formeln sucht, sucht vergebens, ich werde sie dagegen einfach gefasst verständlich für Jeden erklären, vorallem um dieses relativ komplexe Thema zu vereinfachen.
Sieht man ein großes Passagierflugzeug am Boden eines Flughafens, so nimmt man ihm sein Gewicht wohl ab, doch hebt es ab will man es ihm kaum noch ansehen. An diesem wahrgewordenen Traum der Menschheit sind viele Kräfte beteiligt, aber sie alle führen direkt in die Welt der Luftströme, Wirbel, Auftriebe, Wiederstände und viele mehr oder kurz ausgedrückt - die Aerodynamik.
Das Wort Aerodynamik stammt aus dem griechischen und bedeutet so viel wie „Luftformen“ oder „Luftbiegen“, mehr tut ein Flügel mit der Luft auch im Grunde nicht, er schneidet die Luft in zwei Luftströme, wölbt den Einen mehr als den Anderen, woraus ein Druckunterschied entsteht, der dann schließlich einem Flugzeug die Fähigkeit des fliegens verleiht.
1.Grundlagen der Aerodynamik
1.1 Was ist Aerodynamik?
Ein Flugzeug von hunderte Tonnen Gewicht hebt scheinbar mühelos ab, sodass man ihm sein Gewicht kaum noch anzusehen möchte. An diesem wahrgewordenen Traum der Menschheit – der Traum des Fliegens – sind viele Kräfte beteiligt, doch sie alle führen in die Welt der Luftströme, Wirbel, Auftriebe, Widerstände und die der vier wichtigsten Kräfte, die ein Flugzeug in der Luft halten, oder kurz ausgedrückt – die Aerodynamik. Die Aerodynamik ist Teil der Strömungslehre oder auch Fluiddynamik, welche die Lehre des physikalischen Verhaltens von Fluiden ist. Unter Fluide versteht man sog. Medien wie z. B. Gase oder Flüssigkeiten. Das Wort Aerodynamik stammt aus dem griechischen und bedeutet so viel wie „Luftformen“ oder „Luftbiegen“, mehr tut ein Flügel mit der Luft auch im Grunde nicht, er schneidet die Luft in zwei Luftströme, wölbt den Einen mehr als den Anderen, woraus ein Druckunterschied entsteht, der dann schließlich das Wunder des Fliegens bewirkt. Aerodynamik hat viele Einsatzgebiete wie z. B. die Automobilindustrie, die durch Hilfe der Aerodynamik ihre Autos Stromlinienförmiger machen kann, was zu einem geringeren Luftwiderstand führt, der wiederum zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Die Lehre der Aerodynamik beschränkt sich aber nicht nur auf Strömungsverhalten von Luft und das erforschen von dem Verhalten von Gegenstände in Luftströmungen, sondern auch auf das strömungsverhalten von Wasser, das natürlich ebenfalls ein Fluid ist. Bei diesem Bereich kommt die Aerodynamik b.z.w. die Fluiddynamik hauptsächlich dem erforschen der perfekten Rumpform eines Schiffes zu Gunsten. Dabei zeigt Wasser ein ähnliches Strömungsverhalten wie Luft. Die Fortbewegungsart die es ohne Aerodynamik überhaupt nicht geben würde ist ohne Zweifel die Luftfahrt. Es erforderte lange Entwicklungszeit bevor sich das erste Luftfahrzeug überhaupt in die Lüfte erheben konnte. Denn im Gegensatz zu der Schifffahrt und Automobilen ist die Funktionsweise eines Flugzeug wesentlich komplexer, denn es muss leichter als Luft sein um fliegen zu können, dies setzte allerdings ausgereiftes Wissen voraus wie man die Schwerkraft überlisten könnte, was nur funktioniert, wenn ein Flügel Auftrieb erzeugt. Ich werde mich in dieser Arbeit auf die Aerodynamik der Luftfahrt und somit das Stömungsverhalten der Luft beschränken, auch um dieses komplexe Thema etwas verständlicher zu machen.
1.2. Wie ist ein Flugzeug aufgebaut? Und Warum ist es so aufgebaut?
Rumpf, Trag-, Leit-, Steuer- und Fahrwerk sind die wichtigsten Bauteile eines Flugzeugs.
Das Tragwerk besteht aus Flügeln, Vorflügeln und Landeklappen. Die Flügel erzeugen den Auftrieb. Ihre beweglichen Teile verbessern die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs. An der Hinterseite und der Oberfläche der Flügel haben Querruder die Funktion von Steuerflächen. Vorflügel und Klappen funktionieren als Auftriebshilfen.
Die heute üblichen lang gestreckten und tropfenähnlichen Tragflächenprofile gehen maßgeblich auf Erkenntnisse Otto Lilienthals zurück. Heute vermindern Winglets - Anbauten an der Flügelspitze - die Bildung von Luftwirbeln und reduzieren dadurch den Energieverbrauch.
Das Leitwerk stabilisiert und kontrolliert die Bewegungen des Flugzeugs im Luftraum. Höhen- und Seitenleitwerk sind am Heck angebracht. Ihr fester und beweglicher Bauteil, Flosse und Ruder sowie das Querruder an den Tragflächen, halten das Flugzeug auf Kurs.
Mit dem Seitenleitwerk ändert der Pilot die Richtungsstabilität, also seine Fähigkeit, den Kurs beizubehalten, und die Flugrichtung des Flugzeugs. Das Seitenruder an der senkrechten Seitenflosse beeinflusst die Drehung des Flugzeugs nach rechts oder links.
Das Höhenleitwerk besteht aus zwei kleinen, waagerechten Flügeln, die Experten auch als Stabilizer bezeichnen. Im Gegensatz zu den Tragflächen sind sie nach unten gewölbt und erzeugen also Abtrieb, das Gegenteil des Auftriebs. Mit den Rudern am Höhenleitwerk steuert der Pilot den Sink- und Steigflug.
1.3 Warum erzeugt ein Flügel Auftrieb?
Das Element eines Flugzeugs ,das es überhaupt in der Luft hält ist der Flügel. Die Funktionsweise eines Flügels in Relation zu der Luft, die ihn umgibt kann man mit der eines Messers vergleichen – der Flügel schneidet die Luft. Er schneidet den Luftstrom b.z.w. den Fahrtwind während der Vorwärtsbewegung, dabei strömt ein Teil des Luftstroms über die Oberseite des Flügels hinweg und der Andere an der Unterseite entlang. Ein Flügel hat eine bestimmte Form, die dies erst ermöglicht (Bild 1).
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Erst diese bestimmte Form erlaubt es dem Flügel Auftrieb zu erzeugen, wodurch ein Flugzeug fliegen kann.
Die Grundform eines jeden Flügels ist immer gleich, ob es ein Flügel eines Vogels ist oder einer eines großen Passagierflugzeugs, die Grundform ist immer gleich. Bis auf den Flügel eines Vogels ist jeder von Menschen gemachte Flügel in mehrere Teile unterteilt (siehe Bild 1). Er besteht aus der Flügelobersite, der Flügelunterseite und der Flügelvorderkannte und Hinterkannte, die durch die Profilsehne verbunden sind. Diese ist eine imaginäre Linie, die zwischen der Flügelvorderkannte und der Flügelhinterkannte gespannt ist. Es gibt noch weitere und vor allem komplexere Teile eines Flügels, aber dazu später mehr. Das Profil eines jeden Flügel macht erkennbar, dass die Oberseite immer stärker gewölbt ist als die Unterseite, die so gut wie überhaupt nicht gewölbt ist. Weil die Oberseite nun eine stärkere Wölbung aufweist, muss der Luftstrom oberhalb des Flügels einen längeren Weg zurücklegen als der der unter dem Flügel entlang fließt. Dennoch ist der obere Luftstrom nicht nur gleichschnell wie der untere Luftstrom, sondern wesentlich schneller (siehe Bild 3). Dieses Phänomen wird als der Benoulli-Effekt bezeichnet.
Der Benullie-Effekt besagt: Umso schneller ein Luftstrom über eine beliebige Oberfläche fließt, desto geringer ist der Luftdruck darüber b.z.w. Flügeloberfläche. Weil aber der Luftdruck an der Flügelunterseite durch die langsamere Strömung höher ist, entsteht ein, in Relation zu dem Druck der Flügeloberseite, ein höherer Druck. Daraus entsteht ein Druckunterschied. Genau dieser Druckunterschied bewirkt den Auftrieb eines Flügels. Weil Tiefdruckluftmassen immer von Hochdruckluftmassen angezogen werden, entsteht ein Aufwärtzog, der den Flügel, der sich genau zwischen den beiden Luftströmen befindet mit nach oben drückt(Bild 3). Dies nennt man Druckauftrieb. Hierzu gibt es einen einfachen Versuchsaufbau, um dies zu beweisen: Nimmt man ein Blattpapier in seine beiden Hände, hält es genau vor seinen Mund und bläst darüber, so wird sich das Blatt nach Oben bewegen(siehe Bild 2).
Bild 2: Versuch zu
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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Bild 3: Luftströmung und Bernoulli-Effekt
Der Druckauftrieb ist ein Teil des Gesamtauftriebs der es einem Flugzeug ermöglicht zu fliegen, er hält den größeren Anteil daran ein Flugzeug zum fliegen zu bringen.
Den kleineren, aber auch wichtigen Anteil des Gesamtauftriebs ein Flugzeug in die Lüfte zu heben macht der sog. Stoßauftrieb aus. Zeuge dieses Auftriebs wird jeder der seine Hand aus dem Fenster eines fahrendes Auto hält (siehe Bild 4). Er entsteht vorallem bei großen Anstellwinkeln (Winkel der Profilszene des Flügels zur Richtung der anströmemden Luft) des Flügels z.B. wie beim Start eines Flugzeugs. Bei diesen großen Anstellwinkeln bietet der Flügel dem relativen Wind (Fahrtwind) eine große Angriffsfläche. Der anströmende Luftstrom prallt nun gegen die Flügelunterseite, da diese genau in die Windrichtung zeigt. Er drückt gegen die Flügelunterseite und übt Druck aus. Sir Isaac Newton endeckte, dass jede Aktion eine Gegenreaktion nach sich zieht. Dieses Gesetz läst sich einfach auf diese Art von Auftrieb übertragen. Die gegenreaktion ist in diesem Fall die Bewegung des Flügels nach Oben. Diese Art des Auftriebs kommt dem Flugzeug vorallem während des Startvorgangs zu gunsten, wenn das Flugzeug in einen Starken Anstellwinkel übergeht. Ansonstens wird dieser Teil des Gesamtauftriebs nur bei geringen Geschwindigkeiten des Flugzeugs erzeugt, nachdem der Druckauftrieb aufgrund der geringen Geschwindigkeit nicht genügend Auftrieb erzeugen kann, weshalb ein höherer Anstellwinkel benötigt wird um genügend Auftrieb zu erzeugen.
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1.) Der Luftstrom, der auf die Flügelunterseite (oder Handunterseite) trifft erzeugt Einschlagenergie.
2.) Die Einschlagenergie überträgt sich auf den Flügel (oder Hand) und hebt ihn entgegengesetzt der Windrichtung an.
Bild 4: Stoßauftrieb
1.4. Was ist der relative Wind ?
Der relative Wind ist nichts anderes als der Fahrtwind, der während der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs entsteht. Der relative Wind ist die Kraft die einem Flügel den Auftrieb verschaft, der wiederum dem Flugzeug zum Fliegen verhilft. Der relative Wind oder Fahrtwind entsteht bei der Bewegung, er hat immer die selbe Geschwindigkeit des Flugzeugs und er bläst immer entgegengesetzt der Bewegungsrichtung, dabei umfließt er den Flügel oder stößt gegen die Flügelunterseite, wobei die zwei Arten des Auftriebs entstehen. Die Geschwindigkeit des relativen Winds bestimmt die Geschwindigkeit eines jeden Flugzeugs, nicht die Gschwindigkeit, die es überGrund zurücklegt, sondern die Geschwindigkeit des Fahrtwindes. Wenn es z.B. Windstill ist, so ist die Geschwindigkeit über Grund die selbe des Fahrtwindes und somit die des Flugzeugs in der Luft. Bläst z.B. dagegen ein Gegenwind von entgegengesetzt der Flugrichtung, so ist eine geringere Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs notwendig, um genügend Fahrtwind zu erzeugen den ein Flügel braucht um Auftrieb zu erzeugen, denn der natürliche Wind ergänzt diese Geschwingigkeit. Dies führt zu einer geringeren Geschwindigkeit über Grund.
1.5. Was ist der Anstellwinkel ?
Der Anstellwinkel bezeichnet den Winkel zwischen der Profilszene, die die eigentliche Grund konfiguration eines Flügels repräsentiert und der Windrichtung b.z.w. der Richtung des relativen Winds ( Fahrtwind ). Der Anstellwinkel ist ein wichtiger Faktor in der Welt der Aerodynamik und der Luftfahrt. In der Regel gilt: Desto größer der Anstellwinkel, desto größer der Gesamtauftrieb. Alledings steigt damit auch der Gesamtluftwiderstand, also ist es nötig ein ausgewogenes Gleichgewicht zu finden. Steigt der Anstellwinkel eines Flügels, so wird die von der Flügelform vorgegebene Wölbung des Luftstroms verstärkt, weil der Flügel je nach Anstellwinkel eine höhere Wölbung des Luftstroms verursacht wird.
Der Anstellwinkel, der zum Auftrieb unerlässlich ist, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Fluggeschwingigkeit , da eine höhere Geschwindigkeit im selben Zeitraum mehr Luftmasse ablenkt wird und der Betrag der vertikalen Beschleunigung ebenfals steigt, genügt ein geringerer Anstellwinkel zur Erzeugung desselben Auftriebs. Umgekehrt muss der Anstellwinkel umso mehr erhöht werden, je lansamer das Flugzeug fliegt( siehe Bild 5 und 6 ).
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Bild 5: Hohe Geschwindigkeit beteutet
mehr Auftrieb in der selben
Zeit ; es genügt ein geringer
Anstellwinkel führ den selben
Auftrieb
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Bild 6: Geringe Geschwindigkeit
Bedeutet weniger Auftrieb
In der selben Zeit ; es ist ein
Hoher Anstellwinkel notwendig
Um den selben Auftrieb zu
erreichen Der Anstellwinkel kann aber auch dazu führen, dass ein Flugzeug in mitten der Luft einfach aufhöhrt zu fliegen. Fliegen bedeutet in diesem Fall nichts anders als, dass der Flügel von einem konstantem Luftstrom umfloßen wird. Ist der Anstellwinkel zu groß kann ein Strömungsabriss eintreten. Dieser kritische Winkel liegt durschnittlich bei 18° der Profilszene. Ein Strömungsabriss kann bei jeder Lage und jeder Geschwindigkeit eintreten, ein Flügel muss nur diesen Wert erreichen und der obere Luftstrom reißt ab. Dies geschiet, weil die Wölbung in die der Flügel den Luftstrom bringt zu groß und steil ist als das der Luftstrom noch folgen könnte. Der Luftstrom fließt nun nicht mehr gleichmäßig über die Flügeloberfläche, stattdessen verwirbelt er. Dadurch wiederum fällt der Druckauftrieb weg, weil kein Luftstrom mehr effektiv
an der Flügeloberfläche entlang fließen kann. Gleichzeitig erhöht sich der Luftwiderstand b.z.w. Formwiderstand dramatisch. Der Flügel erzeugt nun keinen Auftrieb mehr und höhrt auf zu fliegen ( siehe Bild 7 ). Neben den Kräften, die ein Flugzeug vom Himmel hohlen können gibt es die Vier entscheidenden Kräfte die es am Himmel halten.
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Bild 7: Strömungsabriss
1.6. Welche Kräfte halten ein Flugzeug in der Luft ?
Luftwiderstand Auftrieb
Auftrieb: Der Auftrieb ist die nach oben wirkinde Kraft. Sie entsteht während der sich Flügel durch die Luft bewegt
Schwerkraft: Die Schwerkraft ist die nach unten wirkende Kraft. Sie wirkt entgegengesezt des Auftriebs.
Vortrieb: Der Vortrieb ist die nach Vorne wirkende Kraft. Sie wird durch den Antrieb des Flugzeugs erzeugt, wie z.B. den Propeller, der auch nichts Anderes ist als ein sich drehender Flügel ist.
Luftwiderstand: Der (Luft-) Widerstand ist die nach Hinten wirkende Kraft. Sie wirkt entgegengesezt des Vortriebs. Der Widerstand ist die natürliche reaktion auf den Vortrieb.
Wirken all diese Kräfte zusammen, halten sie ein Flugzeug, sei es ein Papierflugzeug, ein Vogel oder ein Passagierflugzeug in der Luft. Die Aufgabe eines jeden Piloten ist es diese Kräfte zu kontrolieren, steuert er es nimmt immer mindestens eine dieser Kräfte ab. Steigt z.B. ein Flugzeug aus welchem Grund auch immer, so nimmt die Kraft der Schwerkraft ab, worauf der Auftrieb es dann nach oben zieht. Sinkt es hingegen, so nimmt der Auftrieb ab und die Schwerkraft zieht das Flugzeug nach unten. Beschleunigt es, so überwiegt die Kraft des Vortriebs, umgekehrt wirkt der Luftwiderstand, wenn dieser größer ist als der Vortrieb bremst dieser ein Flugzeug.
1.7. Was treibt ein Flugzeug an?
Ein Flugzeug kann nicht mit den Flügeln schlagen, das braucht man nicht weiter zu erklären.
Keine beweglichen Flügel zu haben ist eine Eigenschaft, die ein Flugzeug nicht von den Vögeln
Geerbt hat. Dafür besitzt es aber etwas, dass kein Vogel hat. Quelle des Vortriebs eines
Flugzeuges ist, wie beim Auto auch ein Motor, dieser wird beim Flugzeug Triebwerk genannt
und kann auch ein Strahltriebwerk, wie eines an einem Verkerhrsflugzeug sein. Die Erklärung
eines Strahltriebwerks ist komplex und hat mit der Aerodynamik nicht mehr so viel zu tun, dass
man es erklären müsste, es sei nur soviel gesagt: Es treibt das Flugzeug mit dem Rückstoß
seines Abgasstrahls an. Ein Propeller hingegen funktioniert ähnlich einem Flügel. Der
Querschnitt eines Propellers lässt die Ähnlichkeit zu dem eines Flügels erahnen. Er funktioniert auch exakt auf die Selbe Weise, nur verleiht er dem Flugzeug, an dem er befestigt ist keinen Auftrieb, sondern Vortrieb. Während er sich bewegt, funktioniert er wie ein Flügel und erzeugt Auftrieb in Richtung der Flugrichtung. Er teilt den Luftstrom, der entgegengesetzt der Drehrichtung fließt, in zwei Lufströme, wobei nach Bernoullis Gesetzt ein Druckunterschied entseht, dessen Sog das Flugzeug voran treibt. Umso schneller sich ein Propeller dreht, desto mehr Vortrieb wird Erzeugt.
1.8. Was bremst ein Flugzeug ?
Weil laut Isaac Newton “Jede Aktion eine Gegenrektion verursacht” Verursacht auch ein Flugzeug diese Gegenreaktionen in Form von Luftwiderstand, was der Oberbegriff für verschiedene Arten von Wiederstand ist.
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Induzierter Widerstand ist einer davon, er wird vorallem bei geringen Geschwindigkeiten, die somit große Anstellwinkel mit sich ziehen effektiv. Induzierter Widerstand entsteht als Nebenprodukt des Auftriebs. Der Gesamtauftrieb wirkt sich immer in einem 90° Winkel zur Flügelprofilszene aus und somit auch zum relativen Wind. Weil aber der relative Wind durch den hohen Anstellwinkel des Flügels stark nach unten abgelenkt wird, verlagert sich der Gesamtauftrieb ebenfals und wirkt nun nach Hinten und nicht mehr nach Oben, was wiederum einen Widerstand nach sich zieht. Dennoch verliert das Flugzeug aber nicht seinen gesamten Auftrieb, denn ein Teil des Auftriebs, der sog. effektive Auftrieb wirkt sich immer unabhängig von Anstellwinkel parallel in die entgegengesezte Richtung der Schwerkraft aus. Der Teil des Auftriebs der nach Hinten wirkt wird dabei induzierter Widerstand genannt. Man konnte diesen Widerstand zwar durch intensive Forschung verringern, wie z.B. durch sog. Winglets, aber komplett zu unterbinden ist er nicht.
Die sog. Winglets sind, so wie vieles Andere eine Flugzeugs auch den Vögeln nacherfunden. Sie sind an den beiden Flügelspitzen angebracht und sparen den Airlines viel Geld, weil sie den induzierten Widerstand und somit den Luftwiderstand veringern, daduch benötigt das Flugzeug weniger Energie, um die selbe Geschwindigkeit zu erreichen die es ohne Winglets nur mit mehr Energie erreichen konnte. Der andere wesentliche Widerstand ist der Reibungswiderstand. Dieser wird durch die Oberfläche des Flügels und Rumpfes verursacht, aber auch durch Antennen, sonstige Anbauten und die Luftverdrängung des Flugzeugs. Dieser Wiederstand verstärkt sich desto größer die Geschwindigkeit ist.
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Winglets erhöhen die Streckung eines Tragflügels, ohne die Spannweite zu vergrößern. Dies bringt Verbesserungen beim Bodenhandling, bei der Stabilität um die Hochachse und weniger induzierten Widerstand bei hohen Auftriebswerten.
Entlang eines Tragflügelprofils bilden sich im Allgemeinen Wirbel, da Luft von der Unterseite der Tragflächen, wo Überdruck vorliegt, um die Tragflächenenden herum nach oben fließt, wo Unterdruck herrscht. Die Wirbel sind an der Flügelspitze am stärksten und rollen sich (je nach Flugzustand) zu einem Randwirbel auf. Die Wirbel induzieren am Ort des Flügels eine Abwärtsgeschwindigkeit, wodurch der induzierte Luftwiderstand entsteht. Winglets reduzieren nun den Einfluss dieser Wirbel, indem sie den Randwirbel zerteilen (ein Teil geht am Flügel-Winglet-Übergang ab, ein Teil an der Wingletspitze) und durch ihre Profilgebung nach außen ablenken. Die Gesamtstärke der Wirbel bleibt dabei gleich.
1.9. Der Bernoulli-Effekt
Der Bernoulli-Effekt ist grundlegend für das Verständniss des Fliegens. Daniel Bernoulli
Baute auf den Versuchen auf, die Giovani battista Venturi unternahm. Er fand heraus, dass
Flüssigkeit die durch ein Rohr fließt, dass an einer Stelle verengt ist an der engsten Stelle des
Rohres am schnellsten fließt.
Bernoulli baute auf diesem Gesetz auf, indem er haraus fand, dass in einem strömenden Fluid
(Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet ist. Dieses
Gesetz erklärt den Druckunterschied der einem Flügel den Auftrieb verleiht.
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1.10. Wie steuert das Flugzeug in der Luft ?
Häufig gestellte Fragen
Was ist Aerodynamik?
Aerodynamik ist der Teil der Strömungslehre, der sich mit dem Verhalten von Körpern in Luftströmungen befasst. Sie ist die Grundlage für die Luftfahrt und findet auch in anderen Bereichen wie der Automobilindustrie Anwendung.
Wie ist ein Flugzeug aufgebaut?
Ein Flugzeug besteht hauptsächlich aus Rumpf, Tragwerk (Flügel), Leitwerk (Höhen- und Seitenleitwerk), Steuerwerk (Querruder, Höhenruder, Seitenruder) und Fahrwerk.
Warum erzeugt ein Flügel Auftrieb?
Ein Flügel erzeugt Auftrieb durch seine spezielle Form (Profil), die dazu führt, dass die Luft über der Oberseite schneller strömt als unter der Unterseite. Dieser Geschwindigkeitsunterschied erzeugt einen Druckunterschied (Bernoulli-Effekt), der den Flügel nach oben drückt. Zusätzlich entsteht Auftrieb durch den Stoß der Luft gegen die Unterseite des Flügels, besonders bei größeren Anstellwinkeln.
Was ist der relative Wind?
Der relative Wind ist der Fahrtwind, der durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs entsteht. Er hat die gleiche Geschwindigkeit wie das Flugzeug, bläst aber in entgegengesetzter Richtung.
Was ist der Anstellwinkel?
Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Profilsehne des Flügels und der Richtung des relativen Windes. Ein größerer Anstellwinkel führt in der Regel zu mehr Auftrieb, aber auch zu mehr Luftwiderstand. Bei einem zu großen Anstellwinkel kann es zu einem Strömungsabriss kommen.
Welche Kräfte wirken auf ein Flugzeug im Flug?
Die vier Hauptkräfte, die auf ein Flugzeug im Flug wirken, sind Auftrieb, Schwerkraft, Vortrieb und Luftwiderstand. Der Auftrieb wirkt nach oben, die Schwerkraft nach unten, der Vortrieb nach vorne und der Luftwiderstand nach hinten.
Was treibt ein Flugzeug an?
Ein Flugzeug wird entweder durch einen Propeller oder ein Triebwerk angetrieben. Ein Propeller funktioniert ähnlich wie ein Flügel und erzeugt Vortrieb, während ein Triebwerk durch den Rückstoß seiner Abgase Schub erzeugt.
Was bremst ein Flugzeug?
Ein Flugzeug wird durch den Luftwiderstand gebremst, der sich in induzierten Widerstand (als Nebenprodukt des Auftriebs) und Reibungswiderstand (durch die Oberfläche des Flugzeugs und Luftverdrängung) unterteilt.
Was ist der Bernoulli-Effekt?
Der Bernoulli-Effekt besagt, dass in einem strömenden Fluid (Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet ist. Dieser Effekt erklärt den Druckunterschied, der einem Flügel Auftrieb verleiht.
Wie steuert ein Flugzeug in der Luft?
Ein Flugzeug steuert mithilfe von Rudern (Querruder, Höhenruder, Seitenruder), die die Luftströmung um die Flügel und das Leitwerk verändern und so die Bewegung des Flugzeugs beeinflussen.
- Quote paper
- Danny Gries (Author), 2008, Aerodynamik - Warum fliegt ein Flugzeug?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/123331
