Wie umfassend ist unser Verständnis von Auftrieb?

Kurze Antwort: Ja, unser Verständnis des Auftriebs ist vollständig, aber das Lösen der Gleichungen für einige praktische Fälle erfordert mehr Ressourcen als technisch sinnvoll ist.

Auftrieb ist Definitionssache

Zunächst einmal ist der Auftrieb nur ein Teil der aerodynamischen Kräfte. Es ist die Komponente senkrecht zur Richtung des Luftstroms. Da das Flugzeug die lokale Strömung um sich herum verzerren wird, wird diese Richtung idealerweise in einer unendlichen Entfernung eingeschlagen, wo die Luft ungestört ist.

Die andere Komponente ist natürlich der Luftwiderstand. Sie ist definiert als der Anteil der aerodynamischen Kräfte parallel zur Richtung des Luftstroms.

Die aerodynamischen Kräfte sind die Summe aller lokalen Drücke, die orthogonal auf die lokale Oberfläche des Flugzeugs wirken, und der Scherkräfte, die parallel zur lokalen Oberfläche wirken.

Als die Aerodynamik zum ersten Mal erforscht wurde, waren elektrische Felder neu und aufregend, und die gleichen Gleichungen, die bei der Berechnung elektromagnetischer Kräfte helfen, konnten zur Berechnung aerodynamischer Kräfte verwendet werden. Daher wurden abstrakte Konzepte wie Quellen oder Senken verwendet, um die Aerodynamik zu erklären. Dies machte es nicht einfacher zu verstehen, und viele Autoren versuchten, einfachere Erklärungen zu finden. Leider waren sie meistens zu einfach und nicht korrekt, aber die nächste Generation von Autoren kopierte meistens, was vorher geschrieben wurde, so dass immer noch falsche Konzepte verbreitet wurden.

Um der Sache auf den Grund zu gehen, könnte es hilfreich sein, den Auftrieb auf molekularer Ebene zu betrachten:

Jedes Luftmolekül befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen Trägheit, Druck und viskosen Effekten:

• Trägheit bedeutet, dass die Masse des Teilchens wie bisher weiterreisen will und Kraft braucht, um vom Gegenteil überzeugt zu werden.
• Druck bedeutet, dass Luftpartikel ständig oszillieren und in andere Luftpartikel prallen. Je mehr sie aufprallen, desto mehr Kraft üben sie auf ihre Umgebung aus.
• Viskosität bedeutet, dass Luftmoleküle aufgrund dieser Schwingung dazu neigen, die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Nachbarn anzunehmen.

Alle drei Beiträge sind gut verständlich und können mit den Navier-Stokes-Gleichungen vollständig mathematisch ausgedrückt werden. Was sich noch verbessert, ist unsere Fähigkeit, diese Gleichungen zu lösen, und in turbulenter Strömung ist die charakteristische Länge, die erforderlich ist, um alle Effekte zu erfassen, so klein, dass es praktisch unmöglich ist, diese Gleichungen mit begrenzter Zeit und begrenzten Ressourcen vollständig zu lösen.

Strömung über die Oberseite des Flügels

Nun zum Luftstrom: Wenn sich ein Flügel mit Unterschallgeschwindigkeit nähert, saugt das Unterdruckgebiet über seiner Oberseite Luft vor ihm an. Sehen Sie es so: Oberhalb und stromabwärts eines Luftpakets haben wir weniger Aufprall von Molekülen (= weniger Druck), und jetzt wird das unverminderte Aufprallen der Luft unter und stromaufwärts dieses Pakets seine Luftmoleküle nach oben und zu diesem Flügel drücken. Das Luftpaket wird aufsteigen und zum Flügel hin beschleunigt und in diesen Niederdruckbereich gesaugt. Durch die Beschleunigung wird das Paket in Längsrichtung gestreckt und sein Druck sinkt synchron mit der Beschleunigung. Die Spreizung erfolgt in Fließrichtung – das Paket wird in Längsrichtung verzerrt und gestreckt, zieht sich jedoch orthogonal zur Fließrichtung zusammen. Sobald es dort angekommen ist, wird es "sehen", dass der Flügel unter ihm sich von seiner Bewegungsbahn weg krümmt, und wenn dieser Weg unverändert bliebe, würde sich ein Vakuum zwischen dem Flügel und unserem Luftpaket bilden. Widerstrebend (weil es Masse und damit Trägheit hat) ändert das Paket seinen Kurs und folgt der Kontur des Flügels. Dies erfordert einen noch geringeren Druck, damit die Moleküle ihre Trägheit überwinden und die Richtung ändern. Diese schnell strömende Niederdruckluft saugt wiederum vorne und unten neue Luft an, bremst weiter ab und gewinnt über der hinteren Hälfte des Flügels wieder ihren alten Druck und strömt mit ihrer neuen Strömungsrichtung ab. um die Moleküle dazu zu bringen, ihre Trägheit zu überwinden und die Richtung zu ändern. Diese schnell strömende Niederdruckluft saugt wiederum vorne und unten neue Luft an, bremst weiter ab und gewinnt über der hinteren Hälfte des Flügels wieder ihren alten Druck und strömt mit ihrer neuen Strömungsrichtung ab. um die Moleküle dazu zu bringen, ihre Trägheit zu überwinden und die Richtung zu ändern. Diese schnell strömende Niederdruckluft saugt wiederum vorne und unten neue Luft an, bremst weiter ab und gewinnt über der hinteren Hälfte des Flügels wieder ihren alten Druck und strömt mit ihrer neuen Strömungsrichtung ab.

Beachten Sie, dass ein Auftrieb nur stattfinden kann, wenn die obere Kontur des Flügels nach unten und weg vom ursprünglichen Pfad der um die Vorderkante des Flügels strömenden Luft geneigt ist. Dies kann entweder der Sturz oder der Anstellwinkel sein - beide haben den gleichen Effekt. Da die Wölbung eine allmähliche Änderung der Kontur ermöglicht, ist sie effizienter als der Anstellwinkel.

Strömung über die Unterseite des Flügels

Ein Luftpaket, das unter dem Flügel endet, erfährt weniger Auftrieb und Beschleunigung, und im konvexen Teil stark gekrümmter Tragflächen erfährt es eine Kompression. Es muss auch seinen Strömungsweg ändern, da der gewölbte und/oder geneigte Flügel die Luft darunter nach unten drückt, wodurch mehr Druck und mehr Aufprall von oben für unser Paket unter dem Flügel erzeugt wird. Wenn beide Pakete an der Hinterkante ankommen, haben sie eine gewisse Abwärtsgeschwindigkeit aufgenommen.

Hinter dem Flügel werden beide Pakete aufgrund der Trägheit noch eine Weile ihren Weg nach unten fortsetzen und andere Luft unter ihnen nach unten und seitwärts drücken. Über ihnen wird diese Luft, die zuvor seitwärts gedrückt wurde, nun den Raum über unseren beiden Paketen füllen. Makroskopisch sieht das aus wie zwei große Wirbel. Aber die Luft in diesen Wirbeln kann nicht mehr auf den Flügel einwirken, so dass sie weder den Luftwiderstand noch den Auftrieb beeinflusst. Weitere Informationen zu diesem Effekt , einschließlich hübscher Bilder, finden Sie hier.

Der Auftrieb kann auf mehrere gleichwertige Arten erklärt werden

In Anlehnung an das oben skizzierte Bild eines Druckfeldes ist der Auftrieb die Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Flügels. Die Moleküle prallen an der Unterseite stärker gegen die Flügelhaut als an der Oberseite, und der Unterschied ist der Auftrieb.

Oder Sie betrachten das makroskopische Bild: Eine bestimmte Luftmasse wurde durch den Flügel nach unten beschleunigt, und dazu musste eine Kraft auf diese Luft wirken. Diese Kraft hält das Flugzeug in der Luft: Auftrieb.

Betrachtet man den Flügel als Blackbox und achtet nur auf den Impuls der ein- und ausströmenden Luft, so verändert der Flügel den Impuls, indem er eine nach unten gerichtete Komponente hinzufügt. Die Reaktionskraft dieser Impulsänderung ist der Auftrieb.

So oder so kommen Sie zum gleichen Ergebnis. Übrigens: Der größte Teil der Richtungsänderung findet im vorderen Teil des Profils statt, nicht an der Hinterkante!

Überschallströmung

Wenn sich das Flugzeug schneller bewegt, als sich Druckänderungen durch die Luft ausbreiten, sind die Druckänderungen nicht mehr glatt, sondern plötzlich. Das Flugzeug drückt die Luftmoleküle beiseite und erzeugt einen Kompressionsstoß. Hinter der Stoßfront sind Druck, Temperatur und Dichte höher als davor, und die Zunahme ist proportional zur lokalen Änderung der Strömungsrichtung. Die inkrementelle Druckänderung$\delta p$aufgrund des Aufpralls des Flugzeugs auf die Luft mit einem inkrementellen Winkel von$\delta\vartheta$, ausgedrückt durch die ungestörte Strömung mit dem Index$\infty$, ist proportional zur Änderung der Stromlinien:

Der Gasdruck auf molekularer Ebene ist die Anzahl und Schwere der Teilchenkollisionen . Die Luftmoleküle erfahren auf der stromabwärtigen Seite des Schocks mehr Kollisionen, da dort der Luftdruck höher ist. Die durchschnittliche Richtung der zusätzlichen Kollisionen ist tatsächlich orthogonal zum Schock, weil es die Grenze zwischen glückselig unbewussten Molekülen bei Umgebungsdruck vor dem Schock und ihren verletzten Brüdern stromabwärts ist, die gerade diese Grenze überschritten haben. Hat ein Molekül den Stoß passiert, kommen die Stöße wieder gleichmäßig von allen Seiten und seine Geschwindigkeit ändert sich nicht mehr.

Krümmt sich die Oberfläche von der lokalen Strömungsrichtung weg, erzeugt die Luft ein Expansionsgebläse, das die alten Druck- und Dichtewerte wieder einstellt, wenn die Luft wieder in ihre ursprüngliche Richtung strömt.

Der reine Überschallauftrieb ist nur eine Frage des Einfallswinkels, und jede lokale Krümmung des Flügels ändert den Gesamtauftrieb nicht (erhöht jedoch den Luftwiderstand). Jetzt ist die gesamte aerodynamische Kraft senkrecht zum Flügel, und der Luftwiderstand wird proportional zum Einfallswinkel. In der Hyperschallströmung werden Sie mit der ehrwürdigen Stoßtheorie, die erstmals von Isaac Newton formuliert wurde, gute Ergebnisse erzielen.

Getrennter Fluss

Dies geschieht, wenn die Luftmoleküle der Kontur des Flugzeugs nicht mehr folgen können . Stattdessen erhält man ein chaotisches, oszillierendes Strömungsmuster, das sehr schwer genau zu berechnen ist. Dies ist wirklich der einzige Teil der Aerodynamik, der nicht genau vorhergesagt werden kann, obwohl die Auswirkungen gut verstanden sind. Abgelöste Strömung erzeugt ebenfalls Auftrieb, aber weniger als anhaftende Strömung. Bei Deltaflügeln wird diese Trennung absichtlich erzeugt, um den sogenannten Wirbelauftrieb zu erzeugen .

Aus diesem Papier :

Das Prinzip gleicher Laufzeiten gilt nur für einen Flügel ohne Auftrieb. [!!]

[...]

Die Luft streicht über den Flügel und wird nach unten gebogen. Newtons erstes Gesetz besagt, dass sie [sic] eine Kraft in der Luft sein müssen, um sie nach unten zu biegen (die Aktion). Newtons drittes Gesetz besagt, dass es eine gleiche und entgegengesetzte Kraft (nach oben) auf den Flügel geben muss (die Reaktion). Um Auftrieb zu erzeugen, muss ein Flügel viel Luft nach unten umleiten.

[...]

Wie also lenkt ein dünner Flügel so viel Luft ab? Wenn die Luft um die Oberseite des Flügels gebogen wird, zieht sie die Luft darüber an und beschleunigt diese Luft nach unten. Sonst würden über dem Flügel Hohlräume in der Luft entstehen. Luft wird von oben angesaugt. Dieses Ziehen bewirkt, dass der Druck über dem Flügel geringer wird. Es ist die Beschleunigung der Luft über dem Flügel in Abwärtsrichtung, die Auftrieb gibt.

Wir (diejenigen von uns, die dies lesen) können folgendes über unser Verständnis (der Menschheit im Allgemeinen) von Auftrieb schließen:

• Wir verstehen es sicherlich gut genug, um Flugzeuge zu konstruieren, und es kann zu Überschneidungen mit diesem Wissen in anderen Bereichen kommen, z. B. beim Design von Windkraftgeneratoren.
• Viele glauben , dass wir den Auftrieb ziemlich vollständig verstehen.

Die zweite Kugel wird die hervorragende (und herausfordernde!) Arbeit, die im Laufe der Geschichte in den Bereichen Strömungsdynamik, Luftfahrtphysik und Luftfahrttechnik geleistet wurde, überhaupt nicht entkräften. Es soll lediglich die Möglichkeit zukünftiger Paradigmenwechsel in unserem Verständnis dieser Themen berücksichtigen, selbst wenn diese Veränderungen die gängige Designpraxis oder praktische Diskussionen über Auftrieb nicht beeinflussen. Ein historisches Beispiel für diesen letzten Punkt wäre die Allgemeine Relativitätstheorie als Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der Schwerkraft, während die Newtonsche Gravitationstheorie immer noch für das Mondprogramm verwendet wurde und immer noch weit verbreitet gelehrt und für Situationen verwendet wird, die keine extreme Präzision erfordern.

Neben Links in Fredericos Kommentar siehe auch: https://physics.stackexchange.com/questions/290/what-really-allows-airplanes-to-fly

Bearbeiten:

Diese NASA-Seite diskutiert die Kontroverse „Bernoulli versus Newton“ und kommt zu dem Schluss, dass beide Erklärungen des Auftriebs „richtig“ sind und dass noch mehr dahintersteckt. Die Euler-Gleichungen und die Navier-Stokes-Gleichungen werden erwähnt. Diese Seite in derselben Serie auf der Website der NASA legt nahe, dass der Lift von Experten ziemlich gut verstanden wird, aber in den meisten populären Quellen schlecht erklärt wird:

Es gibt viele Erklärungen für die Erzeugung von Auftrieb, die in Enzyklopädien, in grundlegenden Lehrbüchern der Physik und auf Websites zu finden sind. Leider sind viele der Erklärungen irreführend und falsch. Theorien zur Erzeugung von Auftrieb sind zu einer Quelle großer Kontroversen und zu einem Thema für hitzige Auseinandersetzungen geworden. Um Ihnen zu helfen, den Auftrieb und seine Ursprünge zu verstehen, werden auf einer Reihe von Seiten die verschiedenen Theorien beschrieben und wie einige der populären Theorien scheitern.

Auftrieb tritt auf, wenn ein sich bewegender Gasstrom durch einen festen Gegenstand gedreht wird. Gemäß Newtons drittem Aktions- und Reaktionsgesetz wird die Strömung in eine Richtung gedreht und der Auftrieb in die entgegengesetzte Richtung erzeugt. Da Luft ein Gas ist und sich die Moleküle frei bewegen können, kann jede feste Oberfläche eine Strömung ablenken. Bei einem Flugzeugflügel tragen sowohl die obere als auch die untere Oberfläche zur Strömungsdrehung bei. Die Vernachlässigung des Anteils der oberen Oberfläche beim Drehen der Strömung führt zu einer falschen Theorie des Auftriebs.

Das Problem dabei ist, dass "Korrelation keine Kausalität impliziert". Weder Bernouillis Prinzip noch Newtons Bewegungsgesetze erklären den Auftrieb. Beide bieten gültige Methoden zur Berechnung der Auftriebskraft aus dem Luftströmungsmuster um den Flügel, aber keine von ihnen erklärt, warum das Strömungsmuster so ist, wie es ist .

Ideen wie "gleiche Laufzeit" versuchen zumindest , ein "Warum" zu begründen, aber Experimente, die das Strömungsmuster mit Rauch visualisieren, zeigen, dass das einfach falsch ist .

Die beste "Ein-Wort-Erklärung" für den Auftrieb ist die Viskosität der Luft. Die Viskosität ist der Grund, warum es im gesamten Fließbild keine Diskontinuitäten geben darf*. Insbesondere müssen die Luftgeschwindigkeiten auf beiden Seiten der relativ scharfen Hinterkante des Flügels gleich sein, sonst würde sich der Viskositätseffekt an diesem Punkt stromaufwärts durch die Luft ausbreiten (mit Schallgeschwindigkeit) und die globale Strömung verändern Muster.

Wenn es keine Viskosität gäbe, würde kein Flügel irgendeiner Form einen Auftrieb oder eine Widerstandskraft erzeugen.

*Beschränken wir diese Diskussion auf Unterschallströmungen. Das Einführen von Stoßwellen in den Luftstrom macht eine nicht-mathematische Diskussion mit "Handwinken" komplizierter, aber es macht den wesentlichen Punkt, den ich zu machen versuche, nicht ungültig.

Wie vollständig ist unser Verständnis?

• Vollständig genug, um eine Reihe komplexer Flugzeuge unterschiedlicher Größe, Form und Anwendung zu entwerfen und zu fliegen.
• Vollständig genug, um damit Energie zu extrahieren.

Auf einer grundlegenden Ebene ist der Auftrieb die Kraft, die erzeugt wird, wenn ein fester Körper flüssig wird, während die Erhaltungsgesetze erfüllt werden. Das Problem ist nicht, dass wir nicht wissen, was Auftrieb ist, aber es gibt keinen Konsens darüber , wie man ihn erklären soll. Die meisten „Theorien“ des Lifts sind nur Modelle, die versuchen, dasselbe zu erklären, basierend auf den Standpunkten der beteiligten Personen.

Der Blick des Piloten auf den Aufzug unterscheidet sich von dem eines Ingenieurs oder Mathematikers. Für den Piloten ist der Auftrieb eine Kraft, die das Flugzeug in der Luft hält (und proportional zu$\rho V^{2} S$und Anstellwinkel, zumindest bis zum Stall), während ein Mathematiker sagen kann, dass der Auftrieb „natürlich folgt“, indem er die Navier-Stokes-Gleichung (ob sie realistisch gelöst werden kann oder nicht, ist eine andere Sache) für einige Bedingungen löst. Dies ist natürlich weder für den Ingenieur noch für den Piloten von praktischem Nutzen. Beide können (zu Recht) behaupten, dass sie richtig sind, während ein Physiker einwenden kann, dass NS davon ausgeht, dass die Flüssigkeit ein Kontinuum ist, während dies in der Realität nicht der Fall ist.

Dies ist der Grund für so viele Auftriebstheorien. Da die Flüssigkeitsströmung äußerst komplex ist, werden in jeder Theorie einige Vereinfachungen vorgenommen (wie das Weglassen der Viskosität in der Euler- oder Potentialströmungstheorie). Basierend auf der Vereinfachung ist die Theorie entweder in einigen (oder den meisten) Situationen nützlich oder völlig falsch.

Welche Bits sind noch strittig und welche Bits werden vollständig akzeptiert?

Fast alle "Theorien" des Auftriebs akzeptieren, dass der Auftrieb eine Kraft und ihre Anforderungen ist. Bei der Technik geht es darum, welche Bits für das vorliegende Problem notwendig sind.

Beispielsweise kann die Potentialströmungstheorie den Auftrieb vorhersagen, solange wir uns nicht dem Strömungsabriss nähern. Danach sind alle Wetten aus. Es hat keinen Sinn, über ein Ergebnis einer Theorie zu streiten, nachdem man sie in einer Situation verwendet hat, für die sie überhaupt nicht konzipiert wurde.

Dies ist der Grund für Streitigkeiten über Auftrieb. Einige Theorien werden entwickelt, um eine bestimmte Situation zu beschreiben (z. B. reibungsfreier Fluss) und dann allgemein angewendet, was offensichtlich zu Verwirrung und Streit führt.

Was die Technik betrifft, haben wir genug Verständnis für den Auftrieb, um die Flugmaschinen zu bauen, die wir brauchen, aber nicht so viel, um alles genau zu erklären, was passiert.

TL;DR : Wir können aerodynamische Kräfte auf der Mikroebene sehr genau modellieren; Wir können das Verhalten auf Makroebene vernünftig vorhersagen, indem wir Modelle auf Mikroebene (CFD) aggregieren. Wir haben keine allgemein anwendbare Geschichte dafür, warum das Verhalten auf Makroebene so ist, wie es ist.

Ausführlichere Erklärung:

Auf die Gefahr hin, ein bisschen pedantisch zu sein, werde ich ein paar Abstraktionsschritte zurücknehmen, um ein vollständigeres Bild zu liefern.

Die aerodynamische Gesamtkraft auf einen Körper wird in Vektoren senkrecht zur Fahrtrichtung und parallel zur Fahrtrichtung zerlegt, die mit „Auftrieb“ bzw. „Widerstand“ bezeichnet werden; sie sind keine eigenständigen Kräfte. Die aerodynamische Kraft selbst wird oft in einem anderen Maßstab in Druck und Reibung zerlegt; Größtenteils trägt Reibung nur zur Komponente „Widerstand“ bei, während Druck sowohl zu den Komponenten „Auftrieb“ als auch „Widerstand“ beiträgt.

Der Versuch, eine stilisierte Geschichte darüber zu erzählen, warum der integrierte Druck und die Reibung über den gesamten Körper zu einer bestimmten Nettokraft führen, ist bestenfalls eine Herausforderung, da sie von den Eigenheiten jedes Körpers beeinflusst wird; Verschiedene Modelle (wie Venturi, Downwash und Zirkulation) bieten Designern und Analysten nur grobe Faustregeln innerhalb bestimmter Flugregime.

Dieser letzte Punkt ist wichtiger als es scheint. Sobald Sie in den transsonischen Flug eintreten (eine Mischung aus Unterschall- und Überschallströmung an der Oberfläche des Körpers), steigt der Luftwiderstand steil an (stehende Stöße erzeugen nachteilige Druckgradienten). Beim Übergang zum Vollüberschallflug finden Sie noch eine andere Gruppe von Verhaltensweisen (weil der führende Stoß die Druckverteilung auf den Körper radikal verändert). Lassen Sie mich nicht einmal mit Hyperschallströmung beginnen (bei der die Temperaturänderung über die Stoßdämpfer ausreicht, um das N2 und O2 aus der Luft selbst zu zersetzen).

Bearbeiten Die Antwort von Peter Kampf behandelte die meisten der gleichen Themen wie meine, mit Bildern, daher füge ich dies nur der Vollständigkeit halber hinzu:

Wissenschaftlich gesehen ist Lift vollkommen verstanden. Der Auftrieb ist lediglich die vertikale Kraftkomponente, die von einem Körper erzeugt wird, der sich durch eine Flüssigkeit bewegt. Und wir wissen sehr gut, wie man Kräfte auf einen Körper berechnet, der sich durch eine Flüssigkeit bewegt, seit die Navier-Stokes-Gleichungen 1822 veröffentlicht wurden. Das heißt, wir kennen die Physik davon und es hat mit der Viskosität von Flüssigkeiten zu tun (in im Fall von Flugzeugen, Luft).

Aber die Navier-Stokes-Gleichungen zu verwenden, um einen Flügel zu entwerfen, ist wie der Versuch, Quantenelektrodynamik (QED) zu verwenden , um das perfekte Steak zu kochen. Da die Schwerkraft nicht an der Perfektion des Steaks beteiligt ist, brauchen Sie nur QED, um ein perfektes Steak zuzubereiten.

Die Navier-Stokes-Gleichungen berechnen Kräfte an einem einzelnen Punkt auf dem Flügel. Daher müssen Sie die Berechnungen über den gesamten Flügel wiederholen, um den Auftrieb zu berechnen. In den letzten über 190 Jahren haben Mathematiker und Ingenieure einfachere Algorithmen formuliert, um das Ergebnis der Navier-Stokes-Gleichungen zu berechnen, und in den letzten etwa 30 Jahren haben wir Computer verwendet, um den Auftrieb zu berechnen. Sie können jedoch sehen, dass dies Ihnen nicht die ideale Form sagt, um die gewünschten aerodynamischen Eigenschaften zu erzeugen. Sie können auch sehen, dass dies „Heben“ nicht in Begriffen erklärt, die ein Mensch verstehen kann. Es sind alles nur große Arrays von Zahlen.

Ist es möglich, den Auftrieb mit Begriffen zu erklären, die ein Mensch verstehen kann? Vielleicht. Wir haben sicherlich Namen dafür gegeben, wie bestimmte Formen bestimmte Ausgaben erzeugen, wenn sie den Navier-Stokes-Gleichungen unterworfen werden. Namen wie "Coanda-Effekt" und "Bernoulli-Prinzip" usw. Letztendlich ist es der Natur/Physik egal, wie wir unsere Interpretation des Ergebnisses der Navier-Stokes-Gleichungen nennen - wenn die Berechnung der Gleichungen eine Vertikale ergibt Kraftvektor nach oben hast du Auftrieb. Vielleicht werden wir, wie in der Quantenphysik, nie ein vollständiges intuitives Verständnis davon bekommen, was Auftrieb ist. Aber wir haben sicherlich die vollständige Theorie, um es zu erklären.

Zusätzliche Anmerkung: Abgesehen davon, dass die Navier-Stokes-Gleichungen nicht hilfreich sind, um uns bei der Formulierung einer Theorie des Flügeldesigns zu helfen, sind sie auch problematisch, weil sie rechenintensiv sind. Beispielsweise ist es oft nicht praktikabel, die Navier-Stokes-Gleichungen zu verwenden, um Turbulenzen zu simulieren (obwohl es theoretisch möglich ist). Daher nehmen wir häufig Abkürzungen für bestimmte Formen von Simulationen, indem wir andere einfachere, aber weniger perfekte Gleichungen verwenden.

Der Auftrieb wird erzeugt, weil Luftmoleküle sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite in das Schaufelblatt hineinprallen und von diesem abprallen. Es ist der Unterschied in der Menge des bei diesen Kollisionen übertragenen Impulses, der den Auftrieb erzeugt. Es ist (offensichtlich) nur die Geschwindigkeit der Luftmoleküle, die normal (senkrecht) zum Schaufelblatt ist, die Auftrieb erzeugt.

Das Bernoulli-Prinzip ist wahr, weil der GESAMTE durchschnittliche Impuls jedes Luftmoleküls in einer inkompressiblen (Unterschall-)Strömung eine Konstante ist. Wenn daher die Geschwindigkeit der Luft parallel zum Strömungsprofil zunimmt , muss die Normalkomponente der Geschwindigkeit abnehmen , um die Gesamtmenge konstant zu halten.

Wenn sich die Luft also schneller bewegt, muss die normale Komponente langsamer sein und ihr Druck (gegen das Schaufelblatt) muss niedriger sein.

Das Argument der längeren Fahrstrecke ist also nur falsch, wenn man anzunehmen versucht, dass es nur durch ein asymmetrisches Tragflächenprofil erzeugt werden kann. Auch andere Dinge können die Wegstrecke (und die resultierende Geschwindigkeit) der Luft über das Strömungsprofil verändern. Wenn ein symmetrisches Profil zum relativen Wind geneigt ist, muss die Luft, wenn sie über das Profil auf der Seite strömt, an der sich das Profil von der Strömung wegbiegt, eine längere Strecke zurücklegen (um die durch die Neigung erzeugte Lücke auszufüllen) als Luft, die auf der anderen Seite über die Oberfläche strömt, wo die Oberfläche in den relativen Wind geneigt ist, und muss sich entweder komprimieren (bei Überschallströmung) oder sich vom Schaufelblatt entfernen (Richtung ändern) (bei Unterschallströmung).

Dies liegt daran, dass die Luft bei Unterschallströmung (inkompressibel) keine sofortige Richtungsänderung vornehmen kann, wenn sie die Vorderkante des Schaufelblatts erreicht. Wenn der Anstellwinkel (Angle of Attack, AOA) 10 Grad betrug, macht die Luft keine sofortige 10-Grad-Richtungsänderung. Ab dem vom Flügelprofil entfernten Punkt der Vorderkante ändert sich die Richtungsänderung und der resultierende Druck allmählich , wenn Sie sich weiter entfernen. Das Ergebnis ist, dass die Luftströmung einem gekrümmten Weg folgt und auf dieser Seite des Strömungsprofils eine längere Strecke zurücklegt als auf der anderen Seite, selbst bei einem symmetrischen Strömungsprofil.

Die Prinzipien der Aerodynamik und Strömungsdynamik sind das, was Sie als „gut verstanden“ bezeichnen würden.

Die Mehrdeutigkeit betrifft den sogenannten „Lift“, was ein nebulöses Konzept sein kann. Wenn Sie zum Beispiel ein Blatt Papier fallen lassen, wird es langsam zu Boden treiben, im Wesentlichen eine Form des Gleitens; derselbe Luftwiderstand ist die grundlegende Kraft, die ein Flugzeug in der Luft hält. Würden Sie diesen "Lift" in Betracht ziehen? Sobald Sie sich auf diese Diskussionen über Semantik einlassen, werden die Dinge vage.

Als ein Beispiel für den Wahnsinn verlangt der FAA-Test, den Sie auch absolvieren, dass Sie die „vier Kräfte des Fliegens“ kennen, bei denen der sogenannte „Auftrieb“ die Kraft ist, die das Flugzeug in der Luft hält. Das einzige Problem ist, dass Sie den Auftrieb mit Gleichungen berechnen können, die in jedem Buch über Aerodynamik stehen, und wenn Sie dies tatsächlich tun (wie ich es getan habe), werden Sie feststellen, dass die erzeugte Kraft bei weitem nicht ausreicht, um ein Flugzeug am Himmel zu halten. Wenn "Lift" die Kraft wäre, die ein Flugzeug in der Luft hält, würde es wie ein Stein fallen, also sind die FAA-Richtlinien einfach völlig falsch. Es ist nur ein riesiger semantischer Haarball, der so schnell nicht verschwinden wird.

Das Schlimmste daran ist, dass JEDER Pilot (oder Möchtegern-Pilot), den ich je gekannt habe, glaubt, genau zu wissen, was „Auftrieb“ ist, und, noch schlimmer, ihre Überzeugungen fallen im Allgemeinen in eine von 5 oder 6 verschiedenen Kategorien mit widersprüchlichen Prinzipien. Dies führt zu großen Diskussionen, wann immer das Thema auftaucht. Nach 15 Jahren versuche ich einfach, mich da rauszuhalten, außer den Anfängern zu sagen, dass sie nicht denselben Fehler machen sollen (wie ich es Ihnen jetzt sage).