Wie fliegt es denn nun?

Auto, Rad & Mobilität Luft- & Raumfahrt
#1

Wenn man nach einer Erklärung sucht, wie denn nun ein Flugzeug eigentlich fliegt, so findet man mehrere Erklärungen.
Die gängige, in den meisten Physikbüchern vertretene ist die nach Bernoulli: über den Tragflügel strömt die Luft schneller als darunter, also ist oben ein Unterdruck und unten ein Überdruck.
Diese Erklärung fand ich schon immer extrem unbefriedigend.
Meiner Meinung nach muss der Flügel die anströmende Luft nach unten ablenken, damit er nach oben gedrückt wird; daher kommt der Anstellwinkel; wieso aber nun das Profil? Dient es in erster Linie dazu, die Strömung so lange wie möglich zu halten (also den Strömungsabriss auch bei „großen“ Anstellwinkeln zu vermeiden) und den Widerstand zu minimieren?

Bin gespannt auf eure Antworten.

#2

Meiner Meinung nach muss der Flügel die anströmende Luft nach
unten ablenken, damit er nach oben gedrückt wird;

Und das bewirkt der Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite des Flügels.

daher kommt der Anstellwinkel;

???

wieso aber nun das Profil?

Damit es einen Druckunterschied gibt, wenn der Flügel angeströmt wird.

#3

Hallo,
nimm zwei Blatt Papier und halte sie im Abstand von etwa 10 cm auseinander und blase von oben dazwischen. Ist deine Erklärung für den Effekt dann befriedigender?
Grüße
Ulf

#4

Diese Erklärung fand ich schon immer extrem unbefriedigend.
Meiner Meinung nach muss der Flügel die anströmende Luft nach
unten ablenken, damit er nach oben gedrückt wird;

Hallo,

natürlich fliegt ein Flugzeug auch ohne Profil, wie jeder Papierflieger zeigt. Aber mit einem geeigneten Profil sind die Flugeigenschaften erheblich besser, leider auch die Kräfteverhältnisse komplizierter.

Gruss Reinhard

#5

Hej,

das Problem beim Verständnis ist IMHO, dass selbst einige der etablierten Erklärungen einfach falsch sind. Zweitens ist das Flügelprofil keine geheimnisvolle Konstruktion sondern einfach ein Kreissegment. Da ich aber konstruktionsbedingt eine gewisse Dicke brauche wähle ich die Form so, dass sie möglichst wenig Luftwiderstand hat. Dafür nehme ich die allseits bekannte Tropfenform her (und lasse sie dem Kreissegment folgen).

Der Sendung mit der Maus-Link scheint nicht mehr online zu sein (oder ich finde ihn nicht), aber hier steht auch was (inkl. Simulator)

http://www.wissen.swr.de/warum/fliegen/themenseiten/…
Grüße,
J~

#6

Moin, sejo,

Diese Erklärung fand ich schon immer extrem unbefriedigend.

solange es keine bessere gibt, ist sie nicht schlecht. Die Erklärungen, die den Auftrieb mit Wirbeln begründen, die der Flügel erzeugt, sind wohl kaum anschaulicher.

Meiner Meinung nach muss der Flügel die anströmende Luft nach
unten ablenken, damit er nach oben gedrückt wird;

So funktioniert nicht der Flügel, sondern der Drachen.

wieso aber nun das Profil?

damit die Strömung auf der Oberseite einen längeren Weg zurücklegen muss.

Gruß Ralf

#7

Die Geometrie des Profils zwingt das umströmende Fluid, auf der Oberseite zu beschleunigen. Dies lässt sich mit einer Impulsmengenbilanz leicht zeigen, deren Ausführung im Detail hier jedoch zu weit führen würde. Mit dem Anstellwinkel - engl. Angle of Attack, AoA - (Winkel zwischen der Anströmrichtung und der Sehne des Profils) lässt sich dieser Effekt noch weiter beeinflussen. Bei größeren AoA wird die Luft auf der Oberseite stärker beschleunigt, bei niedrigeren AoA weniger stark. Eine Tragflügelumströmung ist in guter Näherung isoenergetisch. Das heißt, dass der Strömung weder Energie zugeführt noch entzogen wird. Daher gilt für diese Strömung der Satz von Bernoulli, der nichts anderes eine spezielle Formulierung der Energieerhaltung ist. Laut Bernoulli bleibt die Summe des statischen und des dynmaischen Drucks in einer isoenergetischen Ströumung konstant. Wird die Strömung auf der Profiloberseite beschleunigt, steigt damit dort der dynamische Druck. Nach Bernoulli muss der statische Druck also abnehmen. Daraus resultiert ein Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite des Profils. Die daraus wiederum resultierende Kraft wird Auftrieb genannt.

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#8

Hallo!

Wenn man nach einer Erklärung sucht, wie denn nun ein Flugzeug
eigentlich fliegt, so findet man mehrere Erklärungen.
Die gängige, in den meisten Physikbüchern vertretene ist die
nach Bernoulli: über den Tragflügel strömt die Luft schneller
als darunter, also ist oben ein Unterdruck und unten ein
Überdruck.
Diese Erklärung fand ich schon immer extrem unbefriedigend.
Meiner Meinung nach muss der Flügel die anströmende Luft nach
unten ablenken, damit er nach oben gedrückt wird;

Damit hast Du vollkommen recht. Nach actio=reactio muss die Luft zwangsläufig nach unten gedrückt werden, um den Flügel nach oben drücken zu können.

Es gibt aber unterschiedliche Möglichkeiten, wie man das erreichen kann: Man kann durch den Anstellwinkel die Luft ablenken. Oder man kann das durch ein geeignetes Profil erreichen.

Ich meine mich zu erinnern, dass in meiner Theorieausbildung gesagt wurde, bei einem Gleitschirm mache der Anstellwinkel etwa ein Drittel und das Profil etwa zwei Drittel des Auftriebs aus. (Ich kann mich auch täuschen)

Dient es in
erster Linie dazu, die Strömung so lange wie möglich zu halten
(also den Strömungsabriss auch bei „großen“ Anstellwinkeln zu
vermeiden)

Wenn das der Grund wäre, dann wäre das optimale Profil kein Flügelprofil (mit mehr oder weniger planer Unterseite), sondern die dünne gewölbte Fläche, wie sie ursprünglich von Lilienthal vorgeschlagen wurde. Er erkannte jedoch selbst noch, dass es noch effektiver ist, wenn nur die Oberseite gewölbt ist.

Michael

#9

Auftrieb wird nur durch den Druckunterschied erzeugt.

Es gibt den sogenannten Staupunkt. Dass ist einfach gesprochen der Punkt, wo sich die Luft aufteilt und ein Teil über den Flügel strömt und der andere Teil unter dem Flügel.
Nimmt man also eine ungekrümmte Fläche und stellt sie „gerade“ in die Luft (ohne Anstellwinkel) ergibt sich kein Auftrieb, weil oben wie unter die Luft gleichschnell vorbei strömt. Man kann sich gut vorstellen, dass der Staupunkt genau an der Spitze/Kante der Fläche liegt.
Stellt man die Fläche nun an, verschiebt sich der Staupunkt. Die Luft teilt sich nicht mehr an der Kante sondern etwas dahinter.
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Stromlinien75.gif (ein besseres Bild hab ich jetzt nicht dazu gefunden)

Durch die Verschiebung des Staupunktes, verlängert sich also der Weg der Luft der über die Fläche geht und der Weg der Luft der unter die Fläche geht verkürzt sich. Am Ende der Fläche müssen sich die Luftteilchen wieder treffen. Also haben beide Luftströme (über und unter die Fläche) die gleiche Zeit um unterschiedlichen Weg zurück zulegen. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeit über die Fläche ist größer als unter der Fläche (wohl gemerkt nur bei einem Anstellwinkel größer 0). Je höher die Geschwindigkeit, desto kleiner der Druck.
Wir haben also einen geringeren Druck über der Fläche als unter der Fläche. Dadurch ergibt sich die Auftriebskraft.

An dem Beispiel der ungekrümmten Fläche sehen wir also, das Auftrieb auch ohne Profil möglich ist (mit Anstellwinkel).
Mit Profil ist es nun möglich ohne Anstellwinkel die Geschwindigkeitsdifferenz (und dadurch Druckdifferenz) zu erzeugen.
Mit Anstellwinkel kann man dann nochmal den Auftrieb erhöhen.

Ohne Bilder ist das alles etwas schwer zu erklären, vorallem die Verschiebung der Staupunkte.

Fazit ist also: Diese Luftablenkung nach unten (mittels Anstellung) ist auch nichts anderes als eine Geschwindigkeits- und Druckdifferenz am Flügel.

Gruß
TeaAge

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#10

Hallo!

Durch die Verschiebung des Staupunktes, verlängert sich also
der Weg der Luft der über die Fläche geht und der Weg der Luft
der unter die Fläche geht verkürzt sich.

korrekt.

Am Ende der Fläche
müssen sich die Luftteilchen wieder treffen.

Warum? (Das ist genau der Punkt, der die Erklärung mit Bernoulli so komisch aussehen lässt.) Sagen wir mal, am Staupunkt teilen sich die Luftteilchen auf, indem abwechselnd ein Teilchen oben und ein Teilchen unten rum läuft. Nehmen wir Teilchen 100. Es entscheidet sich für den oberen Weg. Woher weiß das Teilchen, dass es sich an der Flügelhinterkante wieder zwischen 99 und 101 einordnen muss? Was verbietet dem Teilchen, sich erst zwischen 119 und 121 einzuordnen?

Fazit ist also: Diese Luftablenkung nach unten (mittels
Anstellung) ist auch nichts anderes als eine Geschwindigkeits-
und Druckdifferenz am Flügel.

Ich glaube, das ist des Pudels Kern. Fakt ist: Der Flügel kann nicht nach oben gedrückt werden, wenn die Luft nicht nach unten gedrückt wird (actio = reactio). Das „nach unten Drücken“ der Luft bewirkt unten einen hohen Druck, oben einen niederen. Diese Druckdifferenz lässt sich meinetwegen auch über Bernoulli erklären - je nach Geschmack. Am Ende müssen alle Erklärungen eh äquivaltent sein.

Michael

#11

Am Ende der Fläche
müssen sich die Luftteilchen wieder treffen.

Nein, das müssen sie nicht und tun es üblicherweise auch nicht.

An dem Beispiel der ungekrümmten Fläche sehen wir also, das
Auftrieb auch ohne Profil möglich ist (mit Anstellwinkel).
Mit Profil ist es nun möglich ohne Anstellwinkel die
Geschwindigkeitsdifferenz (und dadurch Druckdifferenz) zu
erzeugen.
Mit Anstellwinkel kann man dann nochmal den Auftrieb erhöhen.

Damit das einen Sinn ergibt, musst Du erst einmal definieren, was Du mit „Anstellwinkel“ meinst. Den kann man ja prinzipiell festlegen, wie man lustig ist. Dabei gibt es bei jedem Profil - egal ob flach, kreisörmig, Kutta-Joukowski oder was auch immer - mindestens einen Anstellwinkel, bei dem es keinen Auftrieb erzeugt. Diesen Anstellwinkel nennt man Nullauftriebsrichtung. Zweckmäßigerweise definiert man den Anstellwinkel so, dass α=0 die Nullauftriebsrichtung ist. Nach dieser Definition gibt es ohne Anstellwinkel also grundsätzlich keinen Auftrieb - völlig aunabhängig vom Profil.

#12

Am Ende der Fläche
müssen sich die Luftteilchen wieder treffen.

Warum? (Das ist genau der Punkt, der die Erklärung mit
Bernoulli so komisch aussehen lässt.) Sagen wir mal, am
Staupunkt teilen sich die Luftteilchen auf, indem abwechselnd
ein Teilchen oben und ein Teilchen unten rum läuft. Nehmen wir
Teilchen 100. Es entscheidet sich für den oberen Weg. Woher
weiß das Teilchen, dass es sich an der Flügelhinterkante
wieder zwischen 99 und 101 einordnen muss? Was verbietet dem
Teilchen, sich erst zwischen 119 und 121 einzuordnen?

Ein Flügel ist ja endlich (Spannweite) und da wo der Flügel aufhört sind die Teile ja quasi immer zusammen geblieben das wirkt sich auf die Nachbarn aus etc.
Du würdest sonst ja eine Verschiebung von Schichten erzeugen, bzw. du erzeugst ein Vakuum, weil da wo eigentlich sich das Luftteilchen wieder einfädeln sollte es nichts?

Fazit ist also: Diese Luftablenkung nach unten (mittels
Anstellung) ist auch nichts anderes als eine Geschwindigkeits-
und Druckdifferenz am Flügel.

Ich glaube, das ist des Pudels Kern. Fakt ist: Der Flügel kann
nicht nach oben gedrückt werden, wenn die Luft nicht nach
unten gedrückt wird (actio = reactio). Das „nach unten
Drücken“ der Luft bewirkt unten einen hohen Druck, oben einen
niederen. Diese Druckdifferenz lässt sich meinetwegen auch
über Bernoulli erklären - je nach Geschmack. Am Ende müssen
alle Erklärungen eh äquivaltent sein.

Die Luft muss nur keine Umlenkung erfahren. Nimm ein Flügelprofil und halte es ohne Anstellwinkel in den „Wind“, erzeugt es Auftrieb ohne die Luft nach unten Abzulenken, bzw. nur wenig abzulenken.

Gruß
TeaAge

#13

Mit dem Anstellwinkel hast du recht.
Ich hab ihn jetzt als Winkel zwischen ungestörter Strömungsrichtung und Sehne definiert.

Wieso sich aber Luftteilchen am Ende nicht wieder treffen sollte musst du aber nochmal erklären.

Gruß

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#14

Das „nach unten
Drücken“ der Luft bewirkt unten einen hohen Druck, oben einen
niederen.

Ich glaube hier verwechselst Du Ursache und Wirkung. Die Druckdifferenz wird nach Bernoulli durch das Vorbeiströmen der Luft am Flügel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erzeugt. Dieser Druckunterschied führt dann dazu, dass die Luft nach unten gedrückt wird: Unter dem Flügel expandiert die Luft nach unten in Richtung des geringeren Umgebungsdruckes und über dem Flügel expandiert die Umgebungsluft nach unten in das Tiefdruckgebiet an der Oberseite des Flügels.

#15

Du würdest sonst ja eine Verschiebung von Schichten erzeugen

Ja, genau das passiert am Flugzeugflügel

bzw. du erzeugst ein Vakuum, weil da wo eigentlich sich das
Luftteilchen wieder einfädeln sollte es nichts?

Nein, man erzeugt kein Vakuum, sondern einfach nur eine Druckdifferenz - und das ist ja auch Sinn der Sache.

Nimm ein
Flügelprofil und halte es ohne Anstellwinkel in den „Wind“,
erzeugt es Auftrieb ohne die Luft nach unten Abzulenken, bzw.
nur wenig abzulenken.

Dir ist schon klar, dass das ein Verstoß gegen die Impulserhaltung wäre, oder?

#16

Wieso sich aber Luftteilchen am Ende nicht wieder treffen
sollte musst du aber nochmal erklären.

Weil sie oben so viel schnell sind als unten, dass sie trotz des längeren Weges schneller hinten ankommen. Dass diese Geschwindigkeitsdifferenz Folge unterschiedlicher Wege sein soll, ich lediglich ein hartnäckiges Gerücht. Das ist ein schönes Beispiel für einfache, leicht verständliche aber falsche Erklärungen.

#17

Hallo sejo,

vielleicht hilft Dir der folgende Link (leider auf englisch) weiter:
http://home.comcast.net/~clipper-108/lift.htm

*wink*

Petzi

#18

Grafik zur Teilchenverschiebung
Hi,

Am Ende der Fläche
müssen sich die Luftteilchen wieder treffen.

wurde ja schon abgelehnt :wink: Hier ist noch ein ganz anschauliches Bild auf dem man die Verschiebung gut erkennen kann (das untere, farbige)
http://www.wissen.swr.de/warum/fliegen/themenseiten/…

Grüße,
J~

2 Like
#19

Hi,

Wieso sich aber Luftteilchen am Ende nicht wieder treffen
sollte musst du aber nochmal erklären.

es findet kein Informationsaustausch zwischen der oberen und den unteren Teilchen durch die Tragfläche statt. Die beiden Strömungssysteme sind entkoppelt. Es besteht schlicht kein Zwang, dass sie sich treffen müssen.
Auch Haare wachsen nicht schneller wenn man sie regelmäßig schneidet da keine Information von der Spitze zur Wurzel weitergegeben werden kann. Noch so ein Gerücht :wink:

Grüße,
J~

#20

Ist das die Kutta-Jukowski (richtig geschrieben?) Abflußbedingung?

Da ich offensichtlich falsch lag, entschuldige ich mich, auch wenn ich es noch nicht ganz verstanden habe … ich arbeite dran :wink:

Gruß
TeaAge

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