www.zauberhafte-physik.net 7-Physik-Hinweise Profilprüfstand – Thema: Strömende Luft - Stand: 30.07.2020
Physikalische Hinweise zum „Profilprüfstand (7)“
Über das Fliegen
Heißluftballons, Gasballons und Luftschiffe, die mit Helium (Ballons) oder Wasserstoff
(Luftschiffe) gefüllt sind, können fliegen, weil heiße Luft und die genannten Gase leichter sind als die Luft. Man spricht in diesem Fall von Dichteunterschieden. Man könnte auch von
Gewichtsunterschieden sprechen: Die von den Flugobjekten verdrängte Umgebungsluft wiegt nämlich mehr als das Flugobjekt (= Ballon oder Luftschiff). Die Flugobjekte erfahren durch den Gewichtsunterschied zwischen der verdrängten Luft und dem Gewicht des Flugobjekts einen statischen Auftrieb.
Es ist dasselbe Prinzip, nach dem Schiffe schwimmen oder Menschen im Wasser leichter hochzuheben sind (Archimedisches Prinzip).
Neben dem statischen Auftrieb, der durch Gewichtsunterschiede in einem ruhenden Medium entsteht, gibt es den dynamischen Auftrieb, der durch unterschiedliche
Strömungsgeschwindigkeiten und die dadurch hervorgerufenen Druckunterschiede entsteht.
Durch die Strömung werden die Luftteilchen im Inneren einer Strömung auseinander gezogen, so dass ein statischer Unterdruck entsteht, den wir als Sog wahrnehmen.
Je schneller die Luft strömt, desto größer ist der Sog.
An der Oberseite eines Flügelprofils strömt die Luft schneller als an der Unterseite. Der Sog an der Oberseite ist dadurch größer als der
an der Unterseite; der Druck- bzw. Sogunterschied erzeugt den dynamischen Auftrieb.
Alltags-Beispiele für den in strömender Luft entstehenden Unterdruck bzw. Sog:
• Die Zimmertür knallt zu, wenn Luft durch sie hindurch strömt.
• Der Anorak eines schnellfahrenden Motorradfahrers wird vom Luftstrom nicht etwa an seinen Körper gedrückt sondern durch den Sog der vorbeistreichenden Luftströmung aufgebläht.
• Im Bahnhof heißt es: „Bitte zurücktreten, ein Zug fährt durch“. Würde man dem durchfahrenden Zug zu nahe kommen, würde er einen mitreißen (siehe Artikel auf der nächsten Seite).
Druckverteilung am Flügelprofil
Bei Umströmung eines symmetrischen Körpers (1) entsteht auf beiden Seiten der gleiche Unterdruck (Sog), es entsteht kein Druckunterschied, also auch kein Auftrieb.
Bei Umströmung eines unsymmetrischen Körpers (2) oder eines schräg angestellten Körpers (3) ist die Luftgeschwindigkeit auf der Oberseite höher als auf der Unterseite.
Es entsteht ein
Druckunterschied, der den dynamischen Auftrieb bewirkt.Den Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und statischem Innendruck in einer Strömung erkannte als erster der Physiker, Mathematiker und Mediziner Daniel Bernoulli (1700-1782); wir sprechen daher von dem Bernoullischen Gesetz.
Weitere Versuche zum dynamischen Auftrieb siehe: Sachkiste strömende Luft
symmetrisches Profil (1) asymmetrisches Profil (2) angestelltes, asymmetrisches Profil (3)
Beispiel: Sog in strömender Luft
Das
Bernoullische Gesetz besagt: In Strömungen entsteht Unterdruck (Sog).
Der durch strömende Luft entstehende Unterdruck tritt im Alltag bei vielen
Gelegenheiten zutage und kann dramatische Folgen haben, wie die unten stehende Zeitungsnotiz zeigt:
16 .7 .2 01 2 T ag es si eg el
Schautafel 1
Schautafel 2
Schautafel 3
Erhöhung des Auftriebs
Durch folgende Maßnahmen lässt sich die Geschwindigkeit an der Oberseite des Flügelprofils und damit die Auftriebskraft erhöhen:
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Stärkere Wölbung des Flügelprofils, z.B. durch nach unten geklappte Startklappen.
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Steigern der Fluggeschwindigkeit durch Erhöhen des Schubs.
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