Die Wissenschaft hinter Flugzeugflügeln

Während Newton auf Bernoulli trifft, hält dich die Luftklebrigkeit am Leben.

Von Omar Prestwich

Gibt es jemanden, der sich nie gefragt hat, wie ein Flugzeug tatsächlich fliegt?

Das Problem beim Online-Nachschlagen ist das Fehlen eines Algorithmus, der die Menge an Bullshit auf Websites quantifiziert. Wenn jemand versucht zu verstehen, was Flugzeuge wirklich zum Fliegen bringt, passiert normalerweise eines von zwei Dingen:

a) Sie werden mit kontroversen Informationen unglaublich überfordert, oder

b) Sie akzeptieren einfach, dass es Schub, Widerstand, Heben und Gewicht gibt und dass das alles ist, was Sie sicher wissen.

Quelle: NASA

Ich sage das, weil es mir passiert ist.

Nach einigen Erfahrungen, Analysen und tieferen Untersuchungen finden Sie hier eine recht einfache Erklärung für die Grundlagen der Flügelaerodynamik.

Auf makroskopischer Ebene sind die oben genannten Kräfte tatsächlich das, was ein Flugzeug zum Fliegen bringt. Unter Berücksichtigung der Grundphysik:

  • Schub> Ziehen: Sie beschleunigen
  • Heben> Gewicht: Sie steigen auf
  • Ziehen> Schub: Sie werden langsamer
  • Gewicht> Heben: Sie beten

Das ist so einfach wie es nur geht.

Der Schub wird durch den Motorantrieb erzeugt. Luftwiderstand durch Luftwiderstand. Gewicht dank Schwerkraft. Aber wie erzeugt man Auftrieb?

Tatsächlich geschieht die Magie auf den Flügeln und um das Gesamtbild zu verstehen, müssen wir zuerst in die mikroskopische Ebene schauen.

Einige Theorie der Fluiddynamik

Sie sagen, wenn es einen Willen gibt, gibt es einen Weg. In der Fluiddynamik gibt es bei einem Druckabfall auch einen Weg. Flüssigkeiten bewegen sich normalerweise von Orten mit höherem Druck in Bereiche mit niedrigerem Druck. Dies ist im Grunde das, was eine Flüssigkeit in einem Rohr bewegen lässt! Die Strömung erleidet aufgrund der Wandreibung einen kontinuierlichen Druckverlust, daher ist P1> P2 und somit wird eine Nettokraft erzeugt, die die Strömung vorwärts bewegt:

Quelle: LMNO Engineering

Dieses Phänomen ist der Heilige Gral mehrerer technischer Anwendungen, die den Flüssigkeitsfluss betreffen. Denken Sie daran, wenn Sie die Strömungen verstehen wollen: Flüssigkeit neigt dazu, sich von höherem zu niedrigerem Druck zu bewegen!

Also ... Flugzeuge!

Stellen Sie sich vor, Sie wären ein passives Luftpartikel, das ein Flugzeug betrachtet.

Das Flugzeug bewegt sich aufgrund des Antriebs mit hoher Geschwindigkeit vorwärts und fliegt kontinuierlich in stationäre Luft.

Lernen Sie das Tragflächenprofil kennen, eine Schnittansicht eines Flugzeugflügels:

Quelle: erkläre das Zeug

1. Es geht nur um Druck

Wenn die Luftpartikel auf die Vorderseite des Flügels treffen, teilt sich die Luft in zwei Richtungen: nach oben und unten von der Vorderkante.

Hier kommt die erste Offenbarung: Der Auftrieb wird teilweise dadurch erzeugt, dass die durchschnittliche Druckkontur am unteren Ende des Flügels höher ist als der Druck am oberen Ende.

Und hier ist warum:

Tragflächenprofil in einem Windkanalversuch. Quelle: Flügel saugen nicht

Wenn die Luft auf den Flügel trifft, biegt die Bodenfläche die Luft, drückt sie nach vorne und unten und erhöht den Druck unter dem Schaufelblatt (rote und orangefarbene Pfeile im Bild).

Das Gleiche passiert momentan an der Oberseite: Eine Aufprallwelle bildet sich, wenn die Luft auf die Vorderkante des Flügels trifft und den Druck an der Spitze des Schaufelblatts erhöht (rosa und gelbe Pfeile).

Dies ist genau der gleiche Effekt wie bei Meereswellen, die an der Spitze eines sich vorwärts bewegenden Bootes auftreten.

Sobald sich die Luft jedoch weiter bergab bewegt, trifft sie auf den „verborgenen“ Bereich, der aufgrund des hohen Anstellwinkels (AoA) nicht der dynamisch einströmenden Luft ausgesetzt ist:

Quelle: Quora (angepasst)

Dieser Bereich ist normalerweise dünner als die Vorderkante, wodurch eine Art „Lücke“ entsteht, in der sich die Luft „füllt“. Diese plötzliche Richtungsänderung und der vergrößerte Raum für den einströmenden Durchfluss führen dazu, dass der Druck abfällt.

Zu diesem Zeitpunkt beschleunigt sich die Luft an dieser „verborgenen“ Oberfläche infolge des Druckabfalls, daher erleiden die Stromlinien der oberen Oberfläche des Flügels zuerst die Vorderkante im Vergleich zu den Stromlinien der Unterseite:

Tragflächenprofil in einem Windkanalversuch. Quelle: Luftstrom über einen Flügel

Dies kann mit dem Bernoulli-Prinzip in Verbindung gebracht werden! Das Bernoulli-Prinzip besagt, dass es eine umgekehrte Beziehung zwischen Druck und Geschwindigkeit im Flüssigkeitsstrom gibt. Je schneller sich die Strömung bewegt, desto weniger Druck üben die Flüssigkeitsteilchen aus.

2. Lift Generation: Es ist Newton Baby

Die genannten Druckgradienten sind aus einem guten Grund gut: Jede Handlung erzeugt eine entgegengesetzte Reaktion, auch bekannt als Newtons 3. Gesetz (Karma).

  • Wenn Druckgradienten aufgrund der Tendenz des Fluids, sich von hohem zu niedrigem Druck zu bewegen, eine Nettodruckkraft erzeugen, leidet das Strömungsprofil aufgrund der durchschnittlichen Druckdifferenz zwischen oberer und unterer Oberfläche unter einer Nettokraft nach oben.
  • Der Flügel biegt die Luft nach unten, so dass der feste Flügel eine nach unten und vorne gerichtete Kraft auf die Flüssigkeit ausübt. Nach dem 3. Newtonschen Gesetz übt die Flüssigkeit daher eine nach oben und hinten gerichtete Kraft auf den Flügel aus, die resultierende Kraft:
Quelle: Luftfahrt

Dabei heißt die Aufwärtskomponente Lift und die Rückwärtskomponente Induced Drag.

Um nun vollständig zu verstehen, warum dies möglich ist, ist es wichtig zu berücksichtigen, warum Luft tatsächlich an der Flügeloberfläche haftet. Hast du jemals darüber nachgedacht?

3. Luft folgt der Flügelform und… bleibt dabei?!

Sag Hallo zu Pascals Gesetz.

Die Luft um ein Flugzeug hat für eine bestimmte Höhe einen charakteristischen Druckwert. Nennen wir es einfach atmosphärischen Druck.

Das Pascalsche Gesetz besagt, dass der auf ein Flüssigkeitsteilchen ausgeübte Druck gleichmäßig in alle Richtungen übertragen wird, was bedeutet, dass die gesamte Flügeloberfläche ständig von der atmosphärischen Luft um ihn herum unter Druck gesetzt wird.

Luft ist von Natur aus viskos, was bedeutet, dass sie klebrig ist und auf jede gefundene Oberfläche kleben möchte, wodurch eine sogenannte Grenzschicht entsteht.

Quelle: Wie die Dinge fliegen

Wenn Luft nicht viskos wäre, gäbe es überhaupt keine Möglichkeit zu fliegen, da sie einfach jede Oberfläche ignorieren würde, anstatt auf sie einzuwirken.

Das ist der Grund, warum Flugzeugabstürze auftreten können, wenn sich Eis auf Flugzeugflügeln bildet: Es würde die Grenzschicht von der Oberfläche lösen und einen aerodynamischen Strömungsabriss erzeugen.

Deshalb,

  • atmosphärischer Druck auf die Flügel + natürliche Luftviskosität = Geheimnis gelöst: Strömung bleibt an der Oberfläche haften.

Sie können dieses Phänomen auch mit dem 1. Newtonschen Gesetz korrelieren: Ein Körper, der sich in eine bestimmte Richtung bewegt, bewegt sich weiterhin auf seiner Flugbahn, es sei denn, eine äußere Kraft wirkt auf ihn.

Lustig, wie Dinge miteinander verbunden sind.

Bleib neugierig!