Warum brauchen Flugzeuge eine vertikale Heckflosse, Vögel aber nicht? (und viele Fische tun?)

Ich kenne keinen Vogel, der eine vertikale Heckflosse hat, aber anscheinend brauchen Flugzeuge sie für die seitliche Stabilität. Warum ist das?

Ich habe jedoch festgestellt, dass die meisten Fische eine vertikale Schwanzflosse oder eine vertikale Rückenflosse oder beides haben. Was genau ist da los? Ich kann nicht sehen, wie Meerestiere bei niedrigen Geschwindigkeiten in einer dicken Flüssigkeit (im Vergleich zu Luft) seitliche Stabilität benötigen würden.

Wenn dieser zweite Absatz off-topic klingt, lassen Sie es mich anders ausdrücken. Was hat es mit der Luft auf sich, im Gegensatz zu Wasser, die dies erfordert? Sie sind beide Flüssigkeiten. Einer ist dicker/viskoser als der andere, was darauf hinzudeuten scheint, dass der dickere weniger seitliche Stabilität erfordern würde. Doch es scheint das Gegenteil zu sein. Ich hoffe, dies wird als gültige Frage zur Aerodynamik zum Thema angesehen.

(PS Ich lasse Dinge wie den B-2 Spirit weg, weil er aktive dynamische Anpassungen zur Stabilisierung verwendet. Seine Form ist von Natur aus instabil.)

WICHTIGE BEARBEITUNG: Ich hätte auf den großen Geschwindigkeitsunterschied hinweisen sollen. Vögel sind natürlich langsam. So waren die frühen Wright-Flieger. Moderne Verkehrsflugzeuge fliegen viel schneller, etwa Mach 0,85. Ich habe die Reynoldszahlen noch nicht nachgeschlagen, aber es könnte durchaus sein, dass die Schnelleren Seitenhalt brauchen und die Langsamen nicht.

1 weitere Klarstellung: Wenn ich "Stabilität" sage, spreche ich nicht gerade von Gierkontrolle. Mein Eindruck ist, gerade wenn das Flugzeug perfekt gerade fliegt, gibt es Druckschwankungen, die zu Ausrutschern führen, es sei denn, es gibt eine große vertikale Oberfläche, um diese Schwankungen auszugleichen. Ich könnte mich irren, und letztendlich versuche ich herauszufinden, warum die meisten Flugzeuge diese große vertikale Fläche zu benötigen scheinen.

1 mehr: Hier ist ein Beispielmodell, das gleichbedeutend zu sein scheint: Nehmen wir an, unser Flugzeug erreicht Gieren mit Schmetterlingsklappen an Flügelspitzen, die mit dem Massenmittelpunkt ausgerichtet sind (die Klappen und das CoM haben die gleiche Höhe), sodass es keine Nebeneffekt-Drehmomente gibt einander andere Achse als die Gierachse (z-Achse). Nehmen wir an, dass keine zusätzliche Giersteuerung erforderlich ist. Dieses Fahrzeug soll mit Mach 0,85 kreuzen. Ist eine Seitenflosse notwendig, um eine passive Richtungsstabilität um die Gierachse zu erreichen? Wir sollten wahrscheinlich auch Seitenwinde berücksichtigen, sogar beim Start/Landung.

Sie haben Ihre eigene Frage mit dem PS ziemlich genau beantwortet: Tiere können ihren Schwanz sehr schnell kontinuierlich anpassen ... Flugzeuge können dies nicht.
@abelenky Wenn das stimmt, dann ist die Ironie unausweichlich: Vögel und vielleicht sogar Insekten haben Millionen von Jahren vor Boeing die aktive dynamische Steuerung "erfunden"?
Nichts Ironisches daran: Ingenieure wollten schon lange völlig dynamische, organisch nachahmende Steuerungssysteme, aber erst seit kurzem sind Sensoren, Aktuatoren und Algorithmen gut genug.
@DrZ214 Was ist daran ironisch? Insekten „erfanden“ den Flug lange vor den Gebrüdern Wright. Fische „erfanden“ das Schwimmen, lange bevor wir U-Boote bauten. Primaten haben Intelligenz "erfunden", lange bevor wir mit KI irgendwo hinkamen.
@DavidRicherby All das klingt für mich ironisch. So ziemlich alles, was fortgeschrittene Wissenschaft und Milliarden von Dollar für uns erfordert, um es zu erschaffen, und das für die Natur selbst vor einer Million Jahren das Einfachste ist, wäre ironisch, wie ich dieses Wort verstehe. Jedem das Seine.
Fragen Sie die Natur , was Sie wissen wollen. Das Wissenschaftsgebiet heißt Biomimetik .
Wer sagt, dass Boeing die aktive Steuerung erfunden hat? Sie mieden es wie die Pest, bevor sie sich für die Idee erwärmten.
Fische haben normalerweise eine vertikale Schwanzflosse, aber Meeressäuger haben horizontale Schwanzflossen. Dies liegt daran, dass die Wirbelsäule von Säugetieren ein Design hat, das sich mit mehr Kraft in ventraler / dorsaler Richtung biegt, während Fische eine Wirbelsäule haben, die sich mit der größten Kraft in seitlicher Richtung biegt; Die Heckflosse ist für beide das primäre Mittel zur Schuberzeugung, im Gegensatz zu einem Flugzeug. Die Rückenflosse von Fischen und Säugetieren trägt zur Rollstabilität bei - ein Flugzeug tut dies mit seinen Flügeln (Fische und Meeressäuger haben normalerweise viel kleinere Vorderflossen, daher hilft die Rückenflosse hier).
@PeterKämpf Wenn nicht Boeing, dann idk wer es zuerst gemacht hat. Wann haben sie es vermieden? 1960er, 1970er? Von dem, was ich über Computer weiß, würde ich es auch wie die Pest meiden, es sei denn, es wäre das absolute Minimum der Mitte der 80er Jahre.
@J ... danke für diese Info. Wie würden Meeressäuger also die Rollstabilität erreichen? Ich glaube zum Beispiel, der Blauwal hat nirgendwo senkrechte Flossen. Natürlich ist das ein riesiges Tier, also braucht es vielleicht nicht viel Stabilität.
@ DrZ214 Einige Säugetiere haben eine Rückenflosse - wie der Delphin oder der Killerwal. Der Blauwal, Schweinswale usw. haben keine, aber sie haben viel größere Brustflossen - ähnlich wie ein Flugzeug Flügel hat, die es zur Rollkontrolle verwendet.
@J ... Dieser Teil macht Sinn, aber gibt es nicht auch Fische / Säugetiere, die einen vertikalen Schwanz und eine vertikale Rückenflosse haben? Mir fallen keine Namen ein, aber es muss so viele Fische geben. Was sind ihre Rollen (lol) in diesem Fall? BTW bist du von biology.SE? Willkommen auf der Seite.
@ DrZ214 Ich habe ein relevantes Papier in einem Kommentar unter Peters Antwort verlinkt - der Rücken kann verwendet werden, um die Gierkontrolle für schnelle Kurven zu unterstützen, und spielt bei einigen Fischen tatsächlich eine Rolle beim Antrieb (Aufbau konstruktiver Wirbel, die die Antriebseffizienz erhöhen). Und nein, ich habe Bio SE noch nicht betreten. Ich bin Physiker und Ingenieur, komme aber hauptsächlich aus SO.
Der vertikale Schwanz (oder horizontal bei Walen und Delfinen) dient nicht der Stabilität, sondern dem Antrieb. Im Übrigen hast du in deinem PS deine eigene Frage zur aktiven Stabilität im B2 beantwortet - das ist genau das, was Vögel verwenden, wenn auch mit einer viel besseren Implementierung :-)

Antworten (2)

Nicht alle brauchen eine Flosse:

Horten IV im Flug

Das ist der Horten IV, ein Nurflügler, der ohne Seitenleitwerk auskam ( Bildquelle ). Stattdessen verwendete es Spoiler an den Flügelspitzen, um Giermomente zu erzeugen, und der gepfeilte Flügel trug dazu bei, seine schwache Richtungsstabilität zu verbessern. Es konnte sich das leisten, weil es ein Segelflugzeug war. Der zweite Prototyp eines düsengetriebenen Nurflüglers, der Horten IX V2, erlitt einen Absturz, als ein Triebwerk ausfiel und der Pilot die daraus resultierende Steilspirale nicht beenden konnte.

Flossen in Flugzeugen

Vögel haben zwei Vorteile gegenüber Flugzeugen, die eine Flosse überflüssig machen:

  • Ein Flügel mit variabler Geometrie, bei dem Flügelspannweite, Pfeilung und Anstellwinkel für jede Seite unabhängig gesteuert werden können.
  • Der Antrieb ist in den Flügel integriert, anstelle von separaten Kraftwerken, die unabhängig voneinander ausfallen könnten.

Ein zusätzlicher Vorteil von Vögeln gegenüber älteren Flugzeugdesigns ohne computergestütztes Steuersystem besteht darin, dass das Gehirn des Vogels so verdrahtet ist, dass es die Flügel auf jeder Seite unbewusst und kontinuierlich anpasst. Während eine Flosse einem Flugzeug Wetterfahnenstabilität verleiht, ist ein Vogel von Natur aus gleichgültig (weder stabil noch instabil) und muss zur Richtungskontrolle ständig an seinen Flügeln angepasst werden.

Wenn ein Vogel das Gieren kontrollieren möchte, stellt er einfach seine Flügelspitzen so ein, dass der Luftwiderstandsunterschied zwischen beiden den gewünschten Moment erzeugt. Er kann dies tun, indem er die Spannweite auf einer Seite reduziert, was auch ein Rollmoment für eine koordinierte Drehung erzeugt. Flugzeuge können das leider nicht.

Flugzeuge brauchen positive Richtungsstabilität, weil der Mensch die Steuerung nicht ständig anpassen kann – er muss Karten checken oder das Radio bedienen oder vielleicht einfach nur für einen Moment entspannen. Außerdem benötigen Konstruktionen mit mehreren Triebwerken einen Stabilitätsspielraum, um den asymmetrischen Schub zu kompensieren, der sich aus einem ausgefallenen Triebwerk ergibt. Mit einer Flosse benötigt die Masse der Struktur hinter dem Schwerpunkt jetzt eine Ausgleichsmasse davor, und der Seitenbereich dieses vorderen Rumpfes destabilisiert das Flugzeug beim Gieren, was noch mehr Fläche am Seitenleitwerk erfordert. Dies ist ein weiteres Problem, mit dem Vögel nicht konfrontiert sind.

B-52H 61-023 am 10.1.1964

Die B-52H 61-023 erlitt am 10. Januar 1964 einen strukturellen Ausfall der Seitenflosse, schaffte es jedoch, fast ohne Seitenstabilität nach Hause zu humpeln. Hätte es einen zusätzlichen Motorschaden erlitten, wäre es abgestürzt ( Bildquelle ).

Flossen auf Fisch

Die Rückenflosse von Fischen hilft bei ihrem Vortrieb, indem sie die Bereiche über und unter ihrer Wirbelsäule ausbalanciert. Durch Wedeln mit dem Schwanz erzeugen sie eine Seitenkraft, die einen Seitenschlupf an der Rückenflosse erzeugt, was wiederum eine korrigierende Seitenkraft erzeugt, damit der Körper beim Schwimmen nicht rollt. Darin kann es mit dem Kiel eines Segelbootes verglichen werden. Die hydrodynamischen Kräfte auf einem Kiel wirken der Seitenkraft des Segels bei Seitenwind entgegen. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Fisch vor der durch seine Schwanzflosse verursachten Gierbewegung zu stabilisieren, und diese Stabilisierung wiederum verbessert die Effizienz der Bewegung der Schwanzflosse.

Eine zusätzliche Funktion ist als Rollsensor. Da es sich am maximalen Umfang befindet, liefert es die besten Messwerte für lokale Seitwärtsbewegungen aufgrund von Rollen. Dies ist die Hauptfunktion bei Meeressäugern, bei denen die Schwanzflossen horizontal ausgerichtet sind. Bei Fischen mit einer Fettflosse (hinter der Hauptflosse) ist diese Flosse höchstwahrscheinlich ihr Rollsensor.

Es wird nicht zur Rollsteuerung verwendet (außer als Sensor in einer Rückkopplungsschleife) und kann dies nicht, da es nicht einstellbar ist. Rollkontrolle wird durch die verstellbaren Beckenflossen erreicht. Es kann auch keine Rollstabilität bieten – dies würde erfordern, dass es den Fisch nach einer Störung wieder in seine Ausgangslage zurückrollt. Er kann die Rollbewegung lediglich ein wenig dämpfen und bei seitlicher Bewegung der Finne verhindern.

Danke, dass Sie sowohl Vögel als auch Fische angesprochen haben. Aber ich bin überrascht über die Antwort. Es scheint, als würden Sie sagen, dass Flugzeuge keine vertikalen Stabilisatoren für die Stabilität benötigen (von Seitenwind oder Seitenschlupf), sondern dass sie Ruder entweder als einzige Giersteuerung oder als Backup für andere Giersteuerungen und -hecks benötigen / wollen sind nur die bequemste Ruderlage. Ich hatte den Eindruck, dass die große Oberfläche des Seitenleitwerks benötigt wird, um eine Art zufälliger Druckschwankung auszugleichen, die von der Luftströmung über dem Rumpf herrührt.
@DrZ214: Nein, das habe ich nicht gesagt. Ich sagte, dass Flugzeuge eine positive Richtungsstabilität brauchen, was sie von Vögeln unterscheidet, die dies nicht tun, und das wird durch die Vertikale erreicht. Jetzt hängt etwas hinten heraus und muss es mit etwas vorne hängendem ausgleichen, was hinten wieder mehr Platz benötigt. Ohne die Notwendigkeit eines Hecks wäre vor dem Schwerpunkt wenig Rumpf vorhanden, was zu Instabilität führt und eine Flosse erfordert.
A variable geometry wing, where wing span, sweep and incidence can be controlled for each side independently. - Propulsion is integrated into the wing, instead of separate power plants which might fail independently.aber plötzlich, wenn es um Flügelabschlüsse geht, sind Vögel das Vorbild, nach dem Flugzeuge gebaut werden sollten.
@DrZ214: Das Seitenleitwerk wird nicht primär für die "Stabilität" im Sinne der stationären Stabilität benötigt. Es wird zum Wenden benötigt. Vor den Gebrüdern Wright wurden die meisten Segelflugzeuge und Modellflugzeuge sowie Drachen ohne Seitenleitwerk gebaut. Und sie flogen gut. Nur, sie sollten nie wenden und wurden nur in einer geraden Linie geflogen. Als die Leute anfingen, sich mit Motorflügen zu befassen, entdeckten sie, dass das Drehen eines Flugzeugs bei den meisten Konstruktionen zum Absturz führt (es wird einfach unkontrolliert in den Boden schrauben) ...
... natürlich wissen wir von den Horten-Brüdern und Jack Northrop, dass es möglich ist, Flugzeuge ohne Seitenleitwerk zu konstruieren - schauen Sie sich nur den B2 an. Der Schlüssel, der sich herausstellte, ist unter Bootsdesignern seit tausend Jahren bekannt: Ihr Zentrum des seitlichen Widerstands muss hinter Ihrem Kraftzentrum liegen. Oder um es in die Flugzeugsprache zu übersetzen: Ihr Luftwiderstandszentrum muss hinter Ihrem CG liegen. Die vertikale Flosse ist eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Split Elevons ist ein anderes (Northrop) und Washout/Twist ist ein anderes (Horten)
@ DrZ214: Beachten Sie, dass der oben erwähnte Effekt, der beim Versuch, sich zu drehen, abstürzt, einen Namen hat: Adverse Yaw. Die Gebrüder Wright erfanden das Ruder, um dieses Problem zu lösen, und wir bringen Piloten bis heute noch koordinierte Drehungen (eine weitere Erfindung von Wright) bei, um dem ungünstigen Gieren entgegenzuwirken. Flugzeuge mit extremer Auswaschung haben negatives nachteiliges Gieren - umgekehrtes Gieren. Jedes Flugzeugdesign mit umgekehrtem Gieren benötigt kein Seitenleitwerk.
Die Rückenflosse bei Fischen dient in erster Linie der Rollstabilität und nicht dem Ausgleich des Schubs vom Schwanz. Tatsächlich haben einige Fische überhaupt keine Rückenflossen (oder nur sehr kleine oder unentwickelte Flossen), obwohl sie starke Schwimmer sind. Darüber hinaus haben die meisten Wale Rückenflossen und wie alle Meeressäuger horizontal ausgerichtete Schwanzflossen und erzeugen Schub in völlig orthogonalen Richtungen zu Fischen. Sie brauchen aber immer noch die Rückenflosse für die Rollstabilität (auch für stärkeres Gieren in scharfen Kurven).
@J ... und wofür sind die Beckenflossen, wenn nicht für die Rollkontrolle? Und was ist mit Robben, Belugas oder Pinguinen, haben sie eine Rückenflosse? Alle benutzen ihre Flossen zur Rollkontrolle. Nein, die Rückenflosse wirkt der Seitenkraft der Schwanzflosse entgegen. Natürlich hilft es beim Stabilisieren des Rollens, aber es ist wichtiger beim Gieren, zusammen mit den Afterflossen.
@slebetman Die Frage betrifft die Flosse, nicht das Ruder. Fliegen ohne Seitenruder ist möglich, wenn Querruder (und idealerweise Schleppruder) eingebaut sind. Ein Ruder hilft lediglich, eine koordinierte Bewegung um alle drei Achsen zu ermöglichen.
@PeterKämpf Natürlich ist jeder Fall einzigartig, aber ich werde nicht darauf hinweisen, dass Ihre Aussage in der Antwort beklagenswert unvollständig und in den meisten Fällen einfach falsch ist. Kräftigen Schwanzschwimmfischen fehlt oft eine nennenswerte Rückenflosse – sie dient nicht dazu, seitlichen Kräften aus dem Schwanz entgegenzuwirken. Delfine hingegen haben kräftige Rückenflossen und ihre Schwänze bewegen sich überhaupt nicht seitlich. Wo Rücken fehlen, gibt es normalerweise starke Brust- oder Bauchflossen zur Rollkontrolle. Pinguine haben Flügel, Belugas und Robben haben starke Brustflossen usw.
@Federico, weshalb frühe Flugzeugdesigns Vögel nachahmten und warum sie kläglich versagten. Wie in der ursprünglichen Antwort erwähnt, verfügen wir erst seit relativ kurzer Zeit über die Computerleistung, um die zahlreichen, winzigen Korrekturen vorzunehmen, die Vögel auf natürliche Weise vornehmen, um einen stabilen Flug zu ermöglichen.
@PeterKämpf Für zusätzliches Interesse verwenden Sie für einige Fische (zumindest Teleostei) sogar die Rückenflosse für den Antrieb - sie hilft bei der Erzeugung von Wirbeln, die konstruktiv mit denen der Schwanzflosse reagieren, um die Antriebseffizienz zu erhöhen. Dies entspricht nicht genau dem, was Sie vorgeschlagen haben (Querkraftstabilisierung), aber es kommt dieser Art von Funktion näher. Dieses Verhalten gilt jedoch natürlich nicht für alle Meerestiere mit Rückenflossen. people.fas.harvard.edu/~glauder/reprints_unzipped/…
@PeterKämpf: Ein Ruder ist nur eine verstellbare Finne. Die Flosse dient demselben Zweck wie das Ruder: die Spiralstabilität zu verbessern. Wenn Sie nur in einer geraden Linie fahren müssen, reicht eine V-Form aus, um Ihnen Stabilität zu verleihen. Ich habe viele Freiflugflugzeuge auf diese Weise ohne Seitenleitwerk gebaut und sie fliegen alle gut. Das Problem beginnt, wenn Sie versuchen, die Flugzeuge so zu trimmen, dass sie im Kreis fliegen. Eine verstellbare Finne (ein Ruder) ermöglicht es Ihnen lediglich, mit einer kleineren Finne davonzukommen.
@slebetman (und @PeterKampf) Wir müssen zwischen langsamen Sachen (Wright Bros Flyer, Modellflugzeuge) und moderner Hochgeschwindigkeit (Mach 0,85 für große Verkehrsflugzeuge) unterscheiden. Der schnellere benötigt möglicherweise eine vertikale Flossenoberfläche für die Stabilität (nicht gieren! noch nicht), und der langsamere möglicherweise nicht. Ich werde das OP damit bearbeiten. Auch Kapmf, Now you have something hanging out at the back and need to balance it with something hanging out at the front. Ich verstehe nicht. Was hängt z. B. bei einem modernen Jet wie einer 747 vorne raus?
@PeterKämpf The question is about the fin, not the rudder.Ja genau, aber ich verstehe, dass es leicht ist, verwirrt zu werden, besonders wenn wir Fische, Vögel, langsame Flugzeuge und schnelle Flugzeuge in Betracht ziehen. Lassen Sie mich etwas umformulieren. Nehmen wir an, unser Flugzeug erreicht Gieren mit Schmetterlingsklappen an den Flügelspitzen, die perfekt auf den Massenmittelpunkt ausgerichtet sind, sodass es keine seitlichen Drehmomente entlang einer anderen Achse gibt. Nehmen wir an, dass keine zusätzliche Giersteuerung erforderlich ist. Dieses Fahrzeug soll mit Mach 0,85 kreuzen. Ist eine Seitenflosse notwendig, um eine passive Richtungsstabilität um die Gierachse zu erreichen?
@ DrZ214: Ja. Schmetterlingsklappen müssten als Reaktion auf einen Seitenschlupf aktiv bewegt werden. Bei Mach 0,85 benötigen Sie einen Flügelschwung; Dies allein ergibt eine angemessene Richtungsstabilität, wenn kein vorderer Rumpf vorhanden ist. Die Flosse soll dem negativen Stabilitätsbeitrag des vorderen Rumpfes entgegenwirken (und einen Spielraum für asymmetrischen Schub haben). Das Hinzufügen eines Ruders gibt Gierkontrolle und die Möglichkeit, in Gier zu trimmen.
@J ... Wo habe ich gesagt, dass die Rückenflosse "den Schub ausbalanciert"? Lesen Sie keine Dinge in meine Antwort hinein, die nicht da sind. Ich habe es aus Gründen der Übersichtlichkeit bearbeitet und werde den ersten Satz nicht zurückziehen. Wenn sich der Fischkörper als Reaktion auf die Schwanzbewegung seitwärts bewegen würde (Impulserhaltung; es ist nicht meine Schuld, wenn Biologen das nicht verstehen), wäre der Schwanz weniger effektiv. Ein großer Körper tut dasselbe; Aus diesem Grund sind die meisten Fische viel größer als breit.
@PeterKämpf: Wenn du beide Drosselklappen geöffnet hast, brauchst du kein aktives Regelverhalten. Die früheren mechanischen Flugzeuge von Northrop hatten eine Funktion, um beide für "Notfallstabilität" zu öffnen. Zugegeben, dies ist eine Konfiguration mit hohem Luftwiderstand. Wenn Sie sich also ein aktives Steuersystem leisten können, würden Sie es vorziehen, es zu verwenden. Dennoch verwendet der B2 diese passiven stabilen Konfigurationen bei niedrigen Geschwindigkeiten.
@ DrZ214: Unterhalb von Mach 1 sind die Regeln für schwanzlose Flugzeuge dieselben. Ich bin mir nicht sicher, was sich bei Mach 1 ändert. Wenn das Flugzeug in Ihrem Szenario bei Startgeschwindigkeit ohne Seitenleitwerk stabil ist, ist es bei Mach 0,85 ohne Seitenleitwerk stabil. Tatsächlich liegt die Schwäche einiger Konstruktionen wie der Hortens tatsächlich im Niedriggeschwindigkeitsflug. Bei hoher Geschwindigkeit sind Hortens sehr, sehr stabil. Bei niedriger Geschwindigkeit können sie von einem Seitenleitwerk profitieren.
@slebetman: Offene Schmetterlingsklappen helfen nur, wenn der Flügelschwung sie hinter den Schwerpunkt bringt, eine Bedingung, die eindeutig ausgeschlossen wurde ("die perfekt auf den Schwerpunkt ausgerichtet sind"). Nein, sie müssen aktiv bewegt werden, eine Konfiguration mit hohem Luftwiderstand hilft nicht (es verbessert jedoch die Dämpfung).
@PeterKämpf Hoppla, was ich meinte, war perfekt ausgerichtet mit dem CoM auf der Querachse . Mit anderen Worten, die Flügelspannweite verläuft direkt durch das CoM im Rumpf, daher haben die Schmetterlingsklappen die gleiche Höhe wie das CoM. Sorry für die ungenaue Formulierung. Sie könnten in der xy-Ebene betrachtet vor oder hinter dem CoM liegen. Dahinter macht für mich mehr Sinn, weil ich die alte Faustregel kenne, dass das CoM vor dem aerodynamischen Zentrum für "Wetterfahnenstabilität" sein muss.
@DrZ214: Das war auch meine Interpretation. Da das von dir beabsichtigt war, steht meine Antwort. Wie ich sagte. Die Regel ist, dass Sie hinter Ihrem Schwerpunkt einfach mehr Seitenwiderstand benötigen als vorn. Ja, es ist wie eine Wetterfahne. Nach unserem derzeitigen Wissensstand gibt es 3 Techniken: Schleppruder (die Schmetterlingsklappen) hinter den Schwerpunkt legen (Northrop-Lösung). Washout/Twist hinter den CG legen (Horten-Lösung). Setzen Sie etwas Vertikales hinter den CG (Wright-Lösung). Natürlich hindert Sie nichts daran, sie zu kombinieren, wenn Sie die Stabilität noch erhöhen möchten.
@PeterKämpf Sie haben nicht vorgeschlagen, dass die Rückenbalancen schmerzen - Sie schlagen eine kooperative Rolle mit dem Schwanz vor, und ich habe ein Forschungspapier bereitgestellt, das Ihrer vorgeschlagenen Rolle für die Rückenflosse so nahe kommt, wie ich finden konnte. Das heißt, Sie haben meine Aussagen mehrmals falsch interpretiert - ich sagte, der Rücken dient der Rollstabilität , nicht der Rollkontrolle . Diese sind sehr unterschiedlich. Als Rollstabilisator verringert die Flosse die Neigung zum Rollen, indem sie einen Widerstand um diese Achse bereitstellt. Roll Control bedeutet, dass es aktiv verwendet wird, um den Rollwinkel des Fisches einzustellen - das ist natürlich nicht der Fall.
@J ... Warum hast du von "Rollstabilität" gesprochen, wenn du Rolldämpfung meinst ? Wankstabilität bedeutet , dass das Fahrzeug nach einer Störung in seine alte Lage zurückkehrt. Eine statische Flosse in der Nähe des Schwerpunkts kann das nicht , egal was in einigen Papieren geschrieben wird. Alles, was es für Meeressäuger tun kann, ist eine Rollerkennung und eine gewisse Rolldämpfung . Bitte verstehen Sie zuerst die Begriffe, wenn Sie Dinge kritisieren, die richtig sind, Ihnen aber seltsam erscheinen. Bei Fischen hilft es, die Gegenbewegung des Körpers zusätzlich zu den oben genannten zu reduzieren, wodurch die Vortriebseffektivität erhöht wird.
@PeterKämpf Der Begriff Stabilisator impliziert nicht unbedingt einen direkten Zusammenhang mit dynamischer Stabilität (in dem Sinne, wie Sie ihn meinen). In nautischen Systemen ist es üblich, den Begriff „Stabilisator“ zu verwenden, wenn auf ein Schiffsmerkmal Bezug genommen wird, das für Dämpfung sorgt . Dies erstreckt sich sogar auf Dinge wie Kreiselstabilisatoren , die absolut nichts für die dynamische Stabilität tun, sondern nur eine Dämpfung gegen Rotation um welche Achse auch immer bieten. Ich glaube nicht, dass meine Bedeutung unklar war. Auf jeden Fall, um es klar zu sagen, ja, ich habe immer gemeint, dass seine Wirkung die der Rolldämpfung ist, wie Sie sagen.
@J ... Da ich Aviation SE bin, verwende ich lieber die Luftfahrtnomenklatur, bei der Stabilität und Dämpfung nicht ausgetauscht werden können, sondern ihre eigene Bedeutung haben. Ich war wirklich sauer über Ihre wiederholte Behauptung, dass meine Antwort fehlerhaft sei, obwohl Ihre Kommentare es tatsächlich waren.
@PeterKämpf tut mir leid, dass du dich aufregst - das war nicht meine Absicht. Auf jeden Fall unterscheidet sich die Aktion stark von einem Schiffskiel - aufgrund seines massiven Gewichts (und seiner Platzierung am Boden des Bootes) ist ein Kiel sehr stark ein dynamischer Stabilisator in dem Sinne, in dem Sie meinen (dass er dazu neigt zu kämpfen das Schiff im Wasser rollen und aufrichten). Mit der Kielsteuerrolle liefert das Schiffsruder die primäre Ausgleichskraft gegen den unausgeglichenen Schub auf die Segel (Giersteuerung). Dies unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht stark von Fisch und unterscheidet sich von dem, was Sie in Ihrer Antwort vorgeschlagen haben.
@J Sie haben Recht, der hydrostatische Beitrag eines Kiels ist ganz anders. Ich glaube, ich muss die Antwort präzisieren. Beim Segeln am Wind sieht der Kiel jedoch einen ziemlichen Schiebewinkel und erzeugt beträchtliche hydrodynamische Kräfte . Diese sind den Kräften auf einer Flosse ziemlich ähnlich, und darauf bezog ich mich. Ich dachte nur an dynamische Kräfte. Ein Kiel und das Ruder bei Booten sind sehr ähnlich wie eine Tragfläche und ein Leitwerk bei Flugzeugen.
@PeterKämpf In der Tat. Ein weiterer Unterschied zu Fischen besteht darin, dass die Seitenkräfte des Schwanzes, obwohl sie bei einem einzelnen Schlag unausgeglichen sind, immer mit regelmäßiger Frequenz abwechseln - die seitliche Bewegung von einem Schlag wird durch eine entgegengesetzte Bewegung beim umgekehrten Schlag ausgeglichen. Wie Sie sagen, bietet das hohe und flache Profil des Fischkörpers den größten Widerstand gegen diese Bewegung - insbesondere bei Fischen, die im Allgemeinen weichere und leichtere Rückenflossen haben. Starre Knorpelflossen, wie bei Delphinen, werden hier besonders schlecht erklärt, da sie mit ihrem Schwanz keine Seitenkräfte erzeugen. Sie benötigen jedoch immer noch eine Rolldämpfung.
@J ... Die meisten Säugetiere (und alle im Falle von Pinguinen oder Robben) werden von den Flossen zur Rolldämpfung gebracht - sie sind größer und haben ein höheres Seitenverhältnis. Außerdem ermöglichen sie eine aktive Dämpfung. Das kleine Extra von der Finne wird nicht wirklich benötigt - die Rolldämpfung ist nicht ihr Hauptzweck. Bei Fischen hilft die Flosse, den Bereich über und unter der Wirbelsäule auszugleichen, und hilft in dieser Hinsicht gegen das Rollen, das durch die seitliche Bewegung des Körpers beim Schwimmen verursacht wird. Ob Sie dies als Unterstützung des Vortriebs oder Unterstützung der Stabilität zählen, ist eher ein semantischer als ein wissenschaftlicher Unterschied.
@PeterKämpf Also, was würdest du sagen, ist die Rolle der Rückenflosse bei Säugetieren, die sie haben? Delfine, Orcas usw.? Auch hier erzeugen sie beim Schwimmen mit ihren Schwänzen keine Seitenkräfte. Die allgemein (wissenschaftlich) akzeptierten Funktionen bei diesen Tieren sind in erster Linie die Rolldämpfung, mit einer Hilfsfunktion zur Thermoregulation (sie können die Rückenflosse mit Blut fluten, um bei Bedarf Wärme freizusetzen) und in einigen Fällen zur schnellen Gierkontrolle drehen. Ich denke, wenn Sie eine alternative Idee mit Verdienst haben, lohnt es sich wahrscheinlich, sie zu veröffentlichen.
Die vertikalen Flossen von Fischen und Haien haben möglicherweise genauso viel oder mehr mit dem Vortrieb als mit der Stabilität zu tun.

Die gestellte Frage nicht angesprochen, aber verwandt: Vögel haben eine "aktive Stabilitätskontrolle" für die seitliche Stabilität. Vögel brauchen kein Ruder für koordinierte Kurven (wie die meisten Flugzeuge), weil sie eine mehr oder weniger glockenförmige Auftriebsverteilungskurve haben. Siehe: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110023801.pdf Diese Auftriebsverteilung führt zu einem gegenläufigen (im Gegensatz zu einem nachteiligen) Gieren. Bei anderen Auftriebsverteilungen erzeugt die Erhöhung des Auftriebs am aufsteigenden Flügel beim Rollen zusätzlichen Luftwiderstand, was zu einem ungünstigen Gieren führt (es gibt natürlich andere Möglichkeiten, dies zu beseitigen). Bei der glockenförmigen Auftriebsverteilung verringert die Erhöhung des Auftriebs am aufsteigenden Flügel den Luftwiderstand, während die Verringerung des Auftriebs am fallenden Flügel den Luftwiderstand erhöht. Sehenhttp://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-106-AFRC.html für ein modernes unbemanntes Flugzeug, das dies demonstriert.

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