Warum fliegt ein Flugzeug ?
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Warum fliegt ein Flugzeug ?
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Definition der Aerodynamik
3. Warum fliegt ein Fluzeug ?
a) Der Aufbau des Tragflügels
b) Anstell- und Einstellwinkel
c) Die am Flugzeug wirkenden Kräfte
● Die Gewichtskraft
● Der Auftrieb und der Bernoulli Effekt
● Der Luftwiderstand
● Der Schub
4. Steuerung eines Flugzeuges
5. Einige aerodynamische Optimierungen
6. Schlusswort
7. Quellen
Aus: http://www.wikipedia.de 1. Einleitung Die Luftfahrt ist heute aus unserem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sei es um Touristen von A nach B zu fliegen, kranke Leute aus dem Ausland zurückzuholen, entlegene Dörfer im Himalaya zu versorgen oder mit dem Kampfjet modernste Aufklärung zu betreiben. Umso wichtiger ist es , dass alle Maschinen sicher an ihr Ziel gelangen. Flugzeugabstürze sind zum Glück sehr selten. Dennoch ist es für viele Menschen ein Rätsel, warum Flugzeuge überhaupt fliegen können. Für viele von ihnen bleibt es ein Leben lang unverständlich warum sich ein Flugzeug mit mehreren dutzend Tonnen in die Luft erheben kann. Dabei ist das Flugzeug einfachen physikalischen Gesetzen unterworfen mit denen sich die Aerodynamik beschäftigt. Warum ein Flugzeug fliegen kann, das präsentieren wir euch heute. 2. Definition der Aerodynamik Aerodynamik (griech. Aero = Luft, Dynamik = Kraft) ist die Lehre vom Verhalten von starren Körpern in Gasen, hauptsächlich in Luft. Sie ist ein Teilgebiet der Mechanik,
insbesondere der Strömungslehre.
Hauptsächlich geht es bei der Aerodynamik um das Fliegen, sie beschreibt die Kräfte,
weshalb ein Flugzeug fliegen kann.
3.Warum fliegt ein Flugzeug ?
Ein Flugzeug fliegt aufgrund von aerodynamischen Vorgängen am Flügel und am Rumpf.
Die größere Rolle spielt dabei die Tragfläche.
a) Der Aufbau des Tragflügels
1.
Der Tragflügel wurde entwurfen, um von der Luft durch die er bewegt wird, eine
dynamische Reaktion (Kraft) zu erhalten. Der Tragflügel ist daher das Bauteil, welches das
Fliegen überhaupt möglich macht. Theoretisch würde ein einfache Platte ausreichen,
dennoch verwendet man komplexe Profile, die der vorgesehenen Anwendung optimal
angepasst sind.
Die Tragfläche ist ein bestimmter Typ des Tragflügels, die für die Auftriebserzeugung
zuständig ist. Leitwerke und Ruder sind weitere Tragflügel.
Man unterscheidet verschiedene Tragflächenprofile. Bei der Entwicklung von Profilen
versucht man eine Maximierung des Auftriebs und eine Minimierung des Luftwiderstandes
zu erreichen. Man versucht also einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
○ vollsymmetrische Profile, sie sind entlang ihrer Längsachse spiegelsymmetrisch
○ halbsymmetrische Profile
○ asymmetrische Profile, sie erzeugen bereits bei 0° Anstellwinkel Auftrieb
Dies sind nur Profil-Kategorien. Für jedes einzelne Flugzeug wird je nach Verwendung,
Größe und Gewicht ein eigenes Tragflächenprofil erstellt. Die Berechnungen sind sehr
umfangreich, noch heute wird tagtäglich im Windkanal getestet (z.B. am DLR).
Aus: http://www.fabian-guenther.ch/images/0006_0031.jpg b) Anstell- und Einstellwinkel Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Fahrtwind und der Längsachse des Tragflügels. Vereinfacht bedeutet das, dass der Anstellwinkel die Neigung des Flügels im Wind beschreibt. Beträgt der Anstellwinkel 0°, so steht der Flügel waagerecht gegen den Fahrtwind, dieser trifft also frontal auf die Vorderkante. Der Einstellwinkel hingegen ist der Winkel zwischen der Längsachse des Flügels und der Längsachse des Flugzeugrumpfes. Er beschreibt wie der Flügel am Rumpf montiert ist, er ist also durch die Konstruktion vorgegeben und kann nicht verändert werden (bis auf wenige Ausnahmen z.B. Vought F-8).
Aus: http://www.fabian-guenther.ch/images/0006_0003.jpg
1. c) Die am Flugzeug wirkenden Kräfte
Ein Flugzeug wird, wenn es fliegt, vier verschiedenen Kräften ausgesetzt.
Jeweils als Kraft und Gegenkraft wirken Auftrieb und Gewichtskraft sowie Schub und
Luftwiderstand.
Aus : http://www.wissen.swr.de/warum/fliegen/themenseiten/t4/images_content/7.jpg
● Die Gewichtskraft
Die Gewichtskraft wirkt dem Auftrieb entgegen und hängt von der Masse und der
Erdbeschleunigung ab. Deshalb versucht man möglichst leichte aber zugleich stabile
Materialien einzusetzen. Je größer die Masse ist, desto träger ist auch das Flugzeug. Somit
spürt man in großen Flugzeugen die Turbulenzen nicht so sehr und das Flugzeug ist für den
Piloten auch einfacher zu fliegen.
● Der Auftrieb und der Bernoulli Effekt
Der Auftrieb ist die wichtigste Kraft beim Fliegen, denn ohne sie würde kein Flugzeug
fliegen. Eine wichtige Rolle spielt dabei der so genannte Bernoulli Effekt (Daniel Bernoulli,
schweizer Physiker 1700-1782). Er entdeckte 1738 die Beziehung der Fließgeschwindigkeitvon Gasen und Flüssigkeiten (Fluide) und deren Druck.
Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto kleiner wird der Druck.
Ist die Geschwindigkeit größer, ist der Druck kleiner.
Eine Tragfläche ist so gebaut (asymmetrisches Profil), dass die Luft die oberhalb der
Tragfläche strömt, einen längeren Weg zurück legt als unten. Dadurch ist oben die
Geschwindigkeit größer. Hierdurch ist laut Bernoulli der Druck oberhalb der Fläche
geringer als unterhalb der Fläche. Man spricht von einer Sogwirkung, die das Flugzeug nach
oben drückt. Heute weiß man, dass ca. zwei-drittel der Auftriebskraft vom Bernoullieffekt
herrühren. Ist die Auftriebskraft größer als die Schwerkraft steigt das Flugzeug, sind sie
gleich groß, hält das Flugzeug die Höhe und ist die Auftriebskraft kleiner als die
Schwerkraft sinkt das Flugzeug.
Bei einem vollsymmetrischen Profil, muss der Anstellwinkel größer als 0° sein, da sonst
kein Auftrieb zustande kommt. Bei einem Anstellwinkel von 0° ist die Geschwindigkeit der
Luft oberhalb und unterhalb der Fläche genau gleich groß.
Auftrieb als Formel:
FA => Auftrieb (N)
cA => Auftriebsbeiwert
(rho) => Luftdichte (kg/m3)
v => Geschwindigkeit (m/s)
A = > Fläche (m²)
Nur die Geschwindigkeit und der Auftriebsbeiwert sind vom Piloten beeinflussbar.
Die Geschwindigkeit hat den größten Einfluss auf den Auftrieb:
Verdoppelt man die Geschwindigkeit vervierfacht sich die Auftriebskraft.
Der Auftriebsbeiwert cA ist für jeden Tragflügel einzigartig und wird im Windkanal
bestimmt. Er hängt von vier Faktoren ab: Wölbung (je größer die Wölbung desto größer der
Auftrieb) , Anstellwinkel (je größer der Anstellwinkel, desto größer der Auftrieb , gilt nur bis
zu einem gewissen Grad ca. 15°), Viskosität und Kompressibilität.
Der Auftrieb hängt auch von der Dichte ab. Mit zunehmender Höhe nimmt die Luftdichte
ab. Die Dichte (hängt von Druck, Temperatur und Luftfeuchte ab) ist der begrenzende
Faktor, wenn es um die Höhe geht, in der das Flugzeug fliegt. Die Triebwerke würden noch
funktonieren. Das Problem ist , dass es in solch großer Höhe nicht mehr genug Luftteilchen
gibt, die die Tragflächen umströmen können. Es wird daher nicht mehr genug Auftrieb
erzeugt, um das Fluzeug in dieser Höhe zu halten.
Trotzdem ist das Ganze in Wirklichkeit wesentlich komplexer. So sehr sogar, dass alle
Faktoren und Abläufe bis heute nicht vollständig geklärt sind.
Es gibt auch weitere Ansätze wie z.B. das recht einfache Rückstoß-Prinzip von Isaac
Newton, welches auf dem 3.Satz, actio=reactio beruht. Wird die Luft von einem Gegenstand
abgelenkt, verursacht sie einen Bewegungsimpuls am abgelenkten Objekt. => Wird die Luft
nach unten abgelenkt, bewegt sich demnach die Tragfläche nach oben.Aus: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/Danielbernoulli.jpg
Aus: http://www.schulmodell.de/physik/2004/marbau2/marie_web/Alltagsphysik/IMAGE003.JPG
● Der Luftwiderstand
Der Luftwiderstand ist die Gegenkraft zum Schub. Man möchte möglichst wenig Energie
verbrauchen und so versucht man den Luftwiderstand zu verringern. Der Luftwiderstand
setzt sich aus mehreren Widerständen zusammen, hauptsächlich aus zwei:
○ Der schädliche Widerstand setzt sich aus drei Widerständen zusammen:
Formwiderstand, Reibungswiderstand und Interferenzwiderstand.
Diese werden von der Form des Flugzeuges und dessen Geschwindigkeit beeinflusst.
Der Formwiderstand entsteht beim Auftreffen der Luftmoleküle auf das Flugzeug.
Die Oberfläche der Profile ist mehr oder weniger rau. Hierdurch werden die
Luftmoleküle durch die Reibung gebremst. Man spricht vom Reibungswiderstand.
Der Reibungswiderstand lässt sich durch eine hohe Oberflächengüte (polieren und
waschen des Tragflügels) verringern. Auch muss im Winter das Flugzeug bei
entsprechenden Bedingungen enteist werden, da schon wenige Millimeter Eis nicht nur
den Reibungswiderstand erhöhen, sondern die Tragflächenprofile so verändern können,
dass zuwenig Auftrieb zustande kommt und das Flugzeug abstürzt.
Der Interferenzwiderstand kommt durch die Verwirbelungen zwischen verschiedenen
Bauteilen zustande. So ist der Interferenzwiderstand an der Verbindungsstelle von
Tragfläche und Rumpf größer, als von beiden Bauteilen zusammen.
=> Je schneller das Flugzeug, desto größer ist der schädliche Widerstand
○ Der induzierte Widerstand kommt durch den Druckunterschied zwischen Flügelober-
und Flügelunterseite zustande. Am Ende der Flügel stoßen die Gebiete untschiedlichen
Druckes zusammen. Es entsteht eine Ausgleichsströmung von unten (hoher Luftdruck)
nach oben (niedriger Luftdruck) . Hierdurch entstehen Randwirbel die ständig Energiebenötigen. Weiterhin sind solche Wirbel (Wirbelschleppen) gefährlich für andere
Flugzeuge: Bei Start und Landung sind die Wirbel am größten, da die Geschwindigkeit
gering ist: Die Luftpakete sind für längere Zeit dem Druckunterschied ausgeliefert. Der
induzierte Widerstand kann z.B. durch Winglets verringert werden.
● Der Schub
Der Schub ist die vorwärts wirkende Kraft am Flugzeug. Sie kommt durch die Triebwerke
zustande und wirkt entlang der Längsachse der Triebwerke.
Der Schub dient der Überwindung des Luftwiderstandes, sorgt für den Vortrieb und
beschleunigt das Flugzeug. Die Geschwindigkeit hängt von der Stärke des Schubes ab: Ist
der Schub größer als der Luftwiderstand, nimmt die Geschwindigkeit zu. Sind die
entgegengesetzt wirkenden Kräfte Schub und Luftwiderstand gleich groß, so bleibt die
Geschwindigkeit konstant. Ist die Schubkraft geringer, nimmt die Geschwindigkeit ab.
4. Die Steuerung eines Flugzeugs:
Im Normalfall hat ein Flugzeug starre Flügel, man nennt sie deshalb auch Starrflügel.
Deshalb benötigt man Steuerflächen, um das Flugzeug zu steuern.
Die Steuerflächen sind die Querruder, die Höhenruder und das Seitenruder.
Aus : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/9/98/Flugzeug-ruder3.png
Sie sind für die Steuerung des Flugzeugs über seine drei Achsen zuständig:
Querruder => Längsachse
Höhenruder => Querachse
Seitenruder => Hochachse
In der Aerodynamik benutzt man den Begriff „aerodynamische Stabilität“.
Sie beschreibt die Tendenz eines Flugzeugs, eine bestimmte Fluglage zu halten.
Man unterteilt die aerodynamische Stabilität in positive, negative und neutrale Stabilität.
Bei der positiven Stabiliät wird die Bewegung um eine Achse gedämpft und aufören, bei dernegativen Stabilität wird sich die Bewegung verstärken (=> Aufschaukeln) und bei der
neutralen Stabilität bleibt die Bewegung gleich.
● Um die Querachse
Um ein Flugzeug um die Querachse zu steuern, bedient der Pilot, durch Bewegen des
Steuerknüppels nach vorn oder hinten, das Höhenruder des Flugzeugs, wodurch das
Flugzeug nach oben oder unten gelenkt wird.
Durch Bewegen des Höhenruders nach unten verändert sich die Strömung, wie auch bei der
Tragfläche und es entsteht Auftrieb am Höhenleitwerk.
Dadurch wird des Heck des Flugzeugs nach oben gedrückt und die Nase senkt sich.
So ändert das Flugzeug seine Bewegungsrichtung nach unten.
Für die Bewegung des Höhenruders nach oben gilt entsprechend das Gegenteil.
Aus: http://technologie.uni-duisburg.de/FV/Primbs/Querachse.GIF
● Um die Hochachse
Um das Flugzeug um die Hochachse zu bewegen, tritt der Pilot in die Pedale, die sich an der
gleichen Stelle im Kockpit befinden, wie Gas und Bremse beim Auto.
Dadurch wird das Seitenruder bewegt.
Wird es nach links oder rechts bewegt, so entsteht wieder ein Auftrieb in die entsprechende
Richtung.
Lenkt man das Seitenruder nach links, so entsteht ein Auftrieb nach rechts und das Heck
bewegt sich nach rechts.
Gleichzeitig wird die Nase des Flugzeugs nach links gedrückt und es ändert seine
Bewegungsrichtung.Aus: http://technologie.uni-duisburg.de/FV/Primbs/Hochachse.GIF
● Um die Längsachse
Für die Bewegung um die Längsachse sind die Querruder verantwortlich. Sie werden
betätigt, indem der Pilot den Steuerknüppel nach rechts oder links bewegt.
Die Querruder sind ein Teil der Tragfläche und dort an der Hinterkante montiert.
Bewegt der Pilot den Steuerknüppel nach rechts, bewegt sich das rechte Querruder nach
oben und das Linke nach unten.
Dadurch wird der Auftrieb an der linken Flächenhälfte erhöht und an der Rechten verringert,
so dreht sich das Flugzeug um die Längsachse nach rechts.
Bei Betätigung des Steuerknüppels nach links geschieht entsprechend das Gegenteil.
Aus: http://technologie.uni-duisburg.de/FV/Primbs/Laengsachse.gif
5. Einige aerodynamische Optimierungen:
● Der Vorflügel:
Der Vorflügel (engl. slat) ist eine Art kleiner Zusatzflügel, der sich an der Vorderseite des
Tragflügels befindet.
Durch den, beim ausgefahrenen Vorflügel entstehenden Spalt, kann Luft von der Unterseite
des Flügels auf die Oberseite des Flügels strömen.Dadurch strömt die Luft oben noch schneller und es gibt einen stärkeren Unterdruck.
Somit wird ein Strömungsabriss bei hohen Anstellwinkeln hinausgezögert und das Flugzeug
kann langsamer fliegen.
Es gibt heutzutage auch Flugzeuge, bei denen das Ein- und Ausfahren der Vorflügel
elektronisch der Situation angepasst wird.
Aus: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/7/7a/Vorflügel.png
● Die Landeklappe (oder Wolbklappe):
Die Landeklappe oder auch Wolbklappe genannt (engl. Flap) ist eine sehr einfache Methode
der Auftriebshilfe.
Sie ist eine bewegliche Verlängerung am hinteren Ende der Tragfläche.
Wird sie nach unten bewegt, so wird der Auftrieb erhöht. Dadurch kann die Geschwindigkeit
des Flugzeugs weiter gedrosselt werden, ohne einen Strömungsabriss zu bekommen. Dies
wird bei motor- oder turbinengetriebenen Flugzeugen im Normalfall nur für die Landung
eingesetzt.
Segelflugzeuge profitieren zusätzlich noch von den Landeklappen, indem sie nach oben
gestellt werden. So kann die Geschwindigkeit erhöht werden. Diese Methode wird zum
schnellen Überwinden von Abwindregionen verwendet.
Aus: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/0/0e/Landeklappe.png
Es gibt noch viel mehr Arten von Klappen, die an Flugzeugen angebracht werden. Und von
denen gibt es wiederum einige Variationen.In der heutigen Fliegerei werden die verschiedenen Klappen kombiniert ausgefahren, sodass
jede Möglichkeit der Optimierung wahrgenommen wird.
● Randbögen als Optimierung:
Es gibt sehr viele Varianten von Randbögen, ihre Aufgabe ist jedoch immer die Selbe.
An einer Tragfläche gibt es oben einen Unterdruck und unten einen Überdruck, was
schließlich den Auftrieb entstehen lässt.
Am Flügelende muss der Druckunterschied jedoch wieder gleich Null sein. Deshalb
entstehteine Strömung in Richtung Flügelende, welche sogenannte Randwirbel verursacht.
Diese Randwirbel ergeben einen Widerstand, wegen dem man wieder mehr Energie
benötigt.
Die Aufgabe der Randbögen ist es, diese Randwirbel zu reduzieren, damit weniger Energie
benötigt wird um das Flugzeug fort zu bewegen.Aus: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/Wingletdetail.jpg
● Spoiler als Optimierung:
Spoiler, auch Störklappen genannt, sind bewegliche Klappen auf der Tragflächenoberseite,
welche den Auftrieb verringern und dürfen somit nicht mit dem normalen Klappen
verwechselt werden, die ja den Auftrieb erhöhen.
Werden die Klappen ausgefahren, verringert sich der Auftrieb an der Fläche, so wird ein
Sinken des Flugzeugs erreicht, ohne dass die Flugzeugkabine mit den Passagieren geneigt
wird und das bei nur geringer Widerstandserhöhung.
Nach der Landung werden die Spoiler dazu verwendet, den Druck der Räder auf den Boden
zu erhöhen, sodass eine bessere Bremswirkung erzielt wird.
Die Summe aller Störklappen bzw. Spoiler nennt man Speed Brake System, also
Luftbremsensystem.
Alle diese Optimierungen tragen dazu bei, dass Flugzeuge bei kleinstmöglichem
Energieaufwand und mit maximaler Sicherheit ihre Aufgaben erfüllen können.
6. Schlusswort :
Jetzt wisst ihr, warum ein Flugzeug fliegt. Mehre zehntausend Flüge tagtäglich sind der
Beweis, dass diese physikalischen Grundlagen funktionieren. Der Traum vom Fliegen gibt
es seit Menschengedenken, seit fast 100 Jahren ist er Realität geworden. Trotzdem geht die
Forschung weiter, es werden neue Materialien und modernste Triebwerke entwickelt. Doch
schon heute gehört das Fliegen zu den sichersten, wirtschaftlichsten und
umweltschonendsten Transportmethoden die es gibt.7. Quellen: http://www.dlr.de (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ) http://www.aerodesign.de http://www.toeging.lednet.de/flieger/profi/profi.htm http://www.wikipedia.de (Kategorie: Aerodynamik) http://www.fabian-guenther.ch http://www.diam.unige.it http://www.mbsroegner.bizland.com/FLUGWISSEN.html http://www.aeroclub.at/download/Kapitel8-Aerodynamik.pdf http://erlebnis-wissen.lufthansa.com/fileadmin/de/medien/1404M.pdf explora1 (NWT Buch), Klett Verlag, 1. Auflage, 2007, S 98ff. http://erlebnis-wissen.lufthansa.com/fileadmin/de/medien/1302.pdf http://www.joerg-rudolf.lehrer.belwue.de/kurse/04_physik_os/aerodynamik.pdf
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