Die Wissenschaft hinter den Flugzeugflügeln

Während Newton auf Bernoulli trifft, hält Luftklebrigkeit Sie am Leben.

Von Omar Prestwich

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

Das Problem bei der Online-Suche ist das Fehlen eines Algorithmus, der die Menge des in Websites enthaltenen Bullshits quantifiziert. Wenn also jemand zu verstehen versucht, was wirklich dazu beiträgt, dass Flugzeuge fliegen, geschieht normalerweise eines von zwei Dingen:

a) Sie werden unglaublich mit kontroversen Informationen überhäuft oder

b) Sie akzeptieren einfach, dass es Schub gibt, ziehen, heben und wiegen und das ist alles, was Sie sicher wissen.

Quelle: NASA

Ich sage das, weil es mir passiert ist.

Nach einigen Erfahrungen, Analysen und tiefergehenden Forschungen finden Sie hier eine einigermaßen einfache Erklärung für die Grundlagen der Tragflächen-Aerodynamik.

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
  • Drag> Thrust: Sie werden langsamer
  • Gewicht> Heben: Sie beten

Das ist so einfach wie es nur geht.

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

Eigentlich geschieht die Magie auf den Flügeln und um das große Ganze 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 wandern normalerweise von Orten mit höherem Druck in Regionen mit niedrigerem Druck. Dies ist im Grunde, was eine Flüssigkeit in einem Rohr bewegt! Die Strömung erleidet aufgrund der Wandreibung einen kontinuierlichen Druckverlust, daher wird P1> P2 und somit eine Nettokraft erzeugt, die die Strömung in Bewegung hält:

Quelle: LMNO Engineering

Dieses Phänomen ist der heilige Gral mehrerer technischer Anwendungen, die den Flüssigkeitsstrom betreffen. Denken Sie daran, wenn Sie Strömungen verstehen wollen: Flüssigkeit tendiert dazu, von höherem zu niedrigerem Druck zu wechseln!

Also ... Flugzeuge!

Stellen Sie sich vor, Sie seien ein passives Luftteilchen, das ein Flugzeug betrachtet.

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

Lernen Sie das Tragflächenprofil kennen, eine Schnittansicht eines Flugzeugflügels:

Quelle: Erklärungen

1. Alles dreht sich um Druck

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

Hier kommt die erste Entdeckung: 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:

Strömungsprofil in einem Windkanalversuch. Quelle: Wings Don’t Suck

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

Das Gleiche passiert momentan auf der Oberseite: Eine Aufprallwelle entsteht, wenn die Luft auf die Vorderkante des Flügels trifft und der Druck an der Spitze des Tragflügels zunimmt (rosafarbene und gelbe Pfeile).

Dies ist genau derselbe Effekt wie Meereswellen, die von der Spitze eines vorwärts fahrenden Bootes ausgehen.

Sobald sich die Luft jedoch weiter "bergab" des Flügels bewegt, trifft sie auf den "verborgenen" Bereich, der aufgrund des hohen Anstellwinkels (AoA) nicht der dynamischen 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 „füllen“ kann. Diese plötzliche Richtungsänderung und der vergrößerte Raum für den einströmenden Strom führen zu einem Druckabfall.

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

Strömungsprofil 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 festen Grund gut: Jede Handlung erzeugt eine entgegengesetzte Reaktion, nämlich Newtons 3. Gesetz (Karma).

  • Wenn Druckgradienten aufgrund der Tendenz des Fluids, sich von hohem zu niedrigem Druck zu bewegen, eine Nettodruckkraft erzeugen, erleidet das Tragflügelprofil aufgrund des durchschnittlichen Druckunterschieds zwischen oberer und unterer Oberfläche eine Nettokraft nach oben.
  • Der Flügel biegt die Luft nach unten, so dass der massive 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 ist:
Quelle: Luftfahrt

Die aufwärts gerichtete Komponente heißt Lift und die rückwärts gerichtete Komponente Induced Drag.

Um nun vollständig zu verstehen, warum dies möglich ist, ist es wichtig zu überlegen, warum Luft tatsächlich an der Oberfläche des Flügels haftet. Schon mal darüber nachgedacht?

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

Begrüße Pascals Gesetz.

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

Pascals Gesetz besagt, dass der auf ein Fluidpartikel ausgeübte Druck gleichmäßig in alle Richtungen übertragen wird, was bedeutet, dass die gesamte Flügeloberfläche ständig von der Umgebungsluft unter Druck gesetzt wird.

Luft ist von Natur aus zähflüssig, was bedeutet, dass sie klebrig ist und auf jeder gefundenen Oberfläche kleben möchte, wodurch etwas entsteht, das als Grenzschicht bezeichnet wird.

Quelle: Wie die Dinge fliegen

Wenn die Luft nicht viskos wäre, gäbe es keine Möglichkeit zu fliegen, da sie einfach eine Oberfläche ignorieren würde, anstatt darauf einzuwirken.

Deshalb kann es zu Flugzeugabstürzen kommen, wenn sich Eis auf den Flugzeugflügeln bildet: Es würde die Grenzschicht von der Oberfläche lösen und einen aerodynamischen Strömungsabriss verursachen.

Deshalb,

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

Sie können dieses Phänomen auch mit Newtons 1. Hauptsatz korrelieren: Ein Körper, der sich in eine bestimmte Richtung bewegt, bewegt sich in seiner Flugbahn weiter, es sei denn, eine äußere Kraft wirkt auf ihn ein.

Komisch, wie Dinge miteinander verbunden sind.

Bleib neugierig!