Lernkartei Fliegen - physik online lernen

physik (Fach) / Lernkartei Fliegen (Lektion)

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Obwohl das Fliegen mit dem Flugzeug heute nichts Ungewöhnliches mehr ist, hat das Phänomen "Fliegen" an Faszination kaum etwas verloren. Ein guter Grund eigentlich, das Fliegen auch im Schulunterricht zu thematisieren. Geht man aber der Frage nach, warum ein Flugzeug fliegt, stellt man fest, dass es offenbar ganz verschiedene Antworten auf diese Frage gibt. Merkwürdig daran ist, dass jede dieser Erklärungen bis zu einem gewissen Grad überzeugen kann, aber die Zusammenhänge völlig unklar bleiben. Dieser Beitrag möchte deshalb helfen, die verschiedenen Erklärungen in einen größeren Rahmen einzubetten.

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Warum fliegt ein Flugzeug? Zähle die drei häufigsten Erklärungen auf! 1.) Druckdifferenz 2.) Rückstoßerklärung 3.) Auftrieb mit der Kraft auf den rotierenden Zylinder
Was versteht man unter der Druckerklärung?  Eines der drei häufigsten Erklärungsmuster zum Fliegen ist die Druckerklärung. Demnach wird durch die besondere Form des Tragflügels die Strömung so verändert, dass an der Oberseite ein Unterdruck und an der Unterseite ein Überdruck entsteht. Die Druckdifferenz liefert dann die Auftriebskraft, die das Flugzeug in der Luft hält. Dieses Erklärungsmuster findet man bevorzugt in populärwissenschaftlichen Büchern und Zeitschriften oder in Kinderbüchern.
Was versteht man unter der Rückstoßerklärung?  Die Rückstoßerklärung knüpft an das Wechselwirkungsgesetz an. Hervorgehoben wird, dass die Tragfläche Luft nach unten umlenkt. Dabei muß die Trag-läche nach dem Wechselwirkun gsgesetz eine nach oben gerichtete Kraft erfahren. Dieses Erklärungsmuster wird vor allem von Weltner propagiert und hat inzwischen Einzug in eine Reihe von Schulbüchern gefunden.
Beschreibe die Auftrieb mit der Kraft mit den rotierenden Zylinder?   Ein weiteres Erklärungsmuster betreffend "Warum fliegt ein Flugzeug?" vergleicht den Auftrieb mit der Kraft auf den rotierenden Zylinder. Ähnlich wie ein rotierender Z ylinder eine Kraft erfährt, weil zur normalen Umströmung eine Kreisströmung (Zirkulationsströmung) hinzukommt, wird auch der Auftrieb auf eine Zirkulationsströmung um die Tragfläche herum zurückgeführt.
Beschreibe den zweidimensionalen Fall!    Die Zirkulation ist der Schlüssel zur Beschreibung des Auftriebs. In einer ersten guten Näherung kann man den Auftrieb für eine zweidimensionale Tragfläche in einem idealen reibungsfreien Fluid untersuchen. Eine zweidimensionale Tragfläche kann man sich vorstellen als ein Tragflächenstück, dessen Enden mit Platten versehen sind, die eine Querströmung unterbinden. Das gleiche gilt auch für den rotieren-den Zylinder. Auch hier steckt die Auftriebsinformation in der Kreisströmung. Auftrieb wird in diesem Fall nach Gleichung nach der Kutta-Joukowski-Formel: voo ist die Anströmgeschwindigkeit, ρ die Dichte der Luft (druck- und temperaturabhängig) und Γ die Zirkulation. Die Zirkulation (Einheit m2/s) ist das Integral über die Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit längs eines geschlossenen Weges
Beschreibe den dreidimensionalen Fall!   Beim dreidimensionalen Fall, müssen die sogenannten Randwirbel mitberücksichtigt werden, die an den Flügelenden austreten und die den Abwind hinter der Tragfläche wesentlich beeinflussen. Vereinfacht gesagt kann der Wirbelfaden, um den die Luft bei der Zirkulationsströmung herumströmt, an den Flügelenden nicht aufhören, sondern muss weitergeführt werden, im Prinzip bis hin zum Startpunkt des Flugzeugs. Diese Randwirbel sorgen für zusätzlichen Abwind hinter der Tragfläche, der dem Abwind vom eigentlichen tragenden Wirbel überlagert ist.
Wie entstehen Randwirbel?  Bei einer zweidimensionalen Tragfläche gibt es Unterdruck oben und Überdruck unten und keine Möglichkeit des Ausgleichs. Betrachtet man aber einen dreidimensionalen Flügel, dann müssen sich die Druckgebiete zum Rand hin ausgleichen. Die Luft strömt deshalb auf der Oberseite der Tragfläche immer etwas zum Flugzeugrumpf hin und auf der Unterseite etwas zu den Flügelspitzen hin. Diese Querströmun gen auf beiden Seiten der Tragfläche sorgen dafür, dass sich an der gesamten Hinterkante Wirbel ausbilden, die zusammen eine sogenannte Wirbelschleppe formen. Die Wirbelschleppe rollt sich aber in einiger Entfernung hinter der Tragfläche zu zwei starken Wirbeln auf, sodass die vereinfachte Betrachtun g zweier an den Enden austretender Wirbelfäden berechtigt erscheint.
Wie entsteht die Zirkulationsströmung?  Wenn der Tragflügel sich zu bewegen beginnt, dann strömt die Luft im ersten Moment so, wie es einer zirkulationsfreien Umströmung entspricht. D.h. die Luft strömt um die Hinterkante herum zum oberen Staupunkt. Dies kann man für kleine Strömungsgeschwindigkeiten experimentell auch zeigen. Um diesem Strömmungsbild zu folgen, muss die Luft an der Hinterkante sehr schnell werden und dann im Staupunkt wieder auf null abgebremst werden. Die Luft in unmittelbarer Nähe vom Tragflügel wird aber durch Reibung mit der Oberfläche verzögert, so dass sie der Bewe ung um die Hinterkante herum ab einer bestimmten Geschwindigkeit nicht mehr fol-en kann. Sie löst sich deshalb an der Hinterkante vom Flügel ab. Die weiter außen liegende Luftschicht ist durch Reibung weniger abgebremst. Sie folgt deshalb noch der Bewegung um die Kante herum. Dadurch kommt es zu einem Aufrollvorgang und der Entstehung des Anfahrwirbels. Experimentell kann man diesen Anfahrwirbel übrigens sehr leicht sichtbar machen. Man braucht dazu lediglich eine flache wassergefüllte Schale, etwas Sägemehl und ein Tragflächenprofil bzw. ein Modell eines schräg angestellten Bretts, das man durch die Wanne zieht.

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