Wie erzeugen Flügel Auftrieb?

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.

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. Diese Kontraktion wird benötigt, um Platz für diesen Flügel zu schaffen; in Überschallströmunges wird zum gleichen Zweck verlangsamt . Dort angekommen „sieht“ er, dass sich der Flügel darunter von seiner Bewegungsbahn wegkrümmt, und wenn dieser Weg unverändert bleiben würde, würde sich zwischen dem Flügel und unserem Luftpaket ein Vakuum bilden. Widerstrebend ändert das Paket seinen Kurs und folgt der Kontur des Flügels. Dies erfordert einen noch geringeren Druck, um die Moleküle dazu zu bringen, ihre 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 der Sturz eine allmähliche Änderung der Kontur ermöglicht, ist er 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!

Auftrieb ist Definitionssache

Auftrieb und induzierter Widerstand sind beide Teil des auf den Flügel wirkenden Drucks. Addiert man alle auf einen Flügel wirkenden Druckkräfte, so zeigt der resultierende Vektor leicht nach hinten. Die Komponente in Strömungsrichtung ist der Luftwiderstand, und die Komponente orthogonal zur Bewegungsrichtung ist der Auftrieb. Dies ist nur eine Definition, die der Einfachheit halber gemacht wurde.

Kurze Antwort: indem sie eine nach unten gerichtete Kraft auf die Luft um sie herum ausüben.

Lange Antwort: Einige Outreach-Leute im Glenn Research Center der NASA haben eine sehr gute mehrseitige Erklärung verfasst, in der sie sich individuell mit jedem beitragenden Effekt befassen, sowie einige Diskussionen darüber, warum Erklärungen, die Sie vielleicht in der Schule gehört haben, nicht funktionieren. Da die Navigation dort etwas unkonventionell ist, verlinke ich jede Seite einzeln mit einer kurzen Zusammenfassung.

Abheben aus dem Druckbereich

Wenn sich eine Flüssigkeit über ein Objekt bewegt (oder umgekehrt), ist der Druck an verschiedenen Stellen unterschiedlich. Aufgrund dieser Druckdifferenz gibt es eine Gesamtkraft. Sie können die Bernoulli-Gleichung verwenden, um diese Kraft zu berechnen, aber Sie müssen die Geschwindigkeit der Flüssigkeit (an jedem Punkt des Flügels) kennen, um zu beginnen. Man kann es nicht einfach mit dem „Bernoulli-Effekt“ erklären, denn der Bernoulli-Effekt gilt genauso für alles, was sich durch die Luft bewegt.

Heben Sie vom Flow Turning ab

Beide Flächen des Flügels drehen den Luftstrom. Die untere Fläche lenkt sie ab (die Luft prallt vom Flügel ab), während die gekrümmte obere Fläche sie herumbiegt (die Luft haftet am Flügel). Das Drehen der Strömung gibt Ihnen Auftrieb und nicht nur Widerstand. Sie können die Drehung als Quelle des Druckunterschieds beim Bernoulli-Effekt betrachten, oder Sie können es sich einfach in Form von gleichen und entgegengesetzten Kräften vorstellen.

Es gibt eine andere Möglichkeit, die Strömungsdrehung zu modellieren, die auf der NASA-Site nicht diskutiert wird. Wenn Sie vom Satz von Kutta-Joukowski gehört haben, bezieht er sich darauf. Wenn sich die Luft um den Flügel (oder ein beliebiges Objekt) biegt, gibt es zwei besondere Punkte. An der Vorderseite des Flügels geht ein Teil der Luft über die Oberseite und ein Teil unter die Unterseite, aber es gibt einen Punkt zwischen den beiden. Die gegenteilige Situation tritt an der Rückseite des Flügels auf, wo die Luft von der Oberseite auf die Luft trifft, die von unten kam (aber nicht die „gleiche“ Luft: siehe falsche Theorie Nr. 1 unten). Diese beiden Punkte werden Stagnationspunkte genannt . Bei einem normalen Objekt sind sie vertikal auf gleicher Höhe, aber weil die Rückseite eines Flügels scharf ist, bildet sich dahinter der hintere Staupunkt, wenn sich der Flügel schnell genug bewegt. Das ist niedriger als der vordere Staupunkt, was impliziert, dass die Nettoluftbewegung nach unten erfolgt. Von dort kommt die Strömungsdrehung, und mit dem Theorem können Sie berechnen, wie viel Auftrieb Sie erhalten.

Falsche Theorie Nr. 1: Gleiche Laufzeit

Wie gesagt, um den Bernoulli-Effekt hervorzurufen, muss man erklären, warum sich die Luft auf der oberen Oberfläche schneller bewegt. Lehrer behaupten oft, dass dies daran liegt, dass die Luft auf der Oberseite auf die Luft auf der Unterseite treffen muss. Das ist einfach falsch, und es gibt einen netten Simulator, um es zu demonstrieren.

Falsche Theorie Nr. 2: Stein überspringen

Auf dieser Seite wird erläutert, wann Menschen erkennen, dass die Luft von der Unterseite des Flügels „abprallt“, aber die Oberseite vernachlässigt.

Falsche Theorie Nr. 3: Venturi

Einige Leute stellen sich die Oberseite des Flügels als Hälfte einer Venturi-Düse vor (eine Düse, die den Flüssigkeitsfluss beschleunigt, indem sie sie einschnürt). Dieser Geschwindigkeitsunterschied würde zu einem Druckunterschied führen (wieder Bernoulli-Effekt), aber es stellt sich heraus, dass der Flügel überhaupt nicht wie eine Düse funktioniert.

Bernoulli und Newton

Diese letzte Seite fasst nur zusammen, dass die falschen Theorien mit bekannter Physik (Newtonsche Gesetze oder der Bernoulli-Effekt) beginnen, dann aber versuchen, alles zu sehr zu vereinfachen, um es an die Situation anzupassen, so dass sie mit Erklärungen enden, die falsche Vorhersagen machen.

WIE EIN FLUGZEUG AUFTRIEB ERZEUGT

Es gibt normalerweise zwei populäre Gedankenfelder (mit Ausnahme der widerlegten Theorie der gleichen Zeit), warum ein Flugzeug fliegt; Einige glauben, dass es durch eine Anwendung des 3. Newtonschen Gesetzes verursacht wird, und andere glauben, dass es durch einen Druckunterschied auf der Ober- und Unterseite des Flügels verursacht wird. Grundsätzlich sind sowohl die „Newtonsche“ Erklärung als auch die „Hoch/Niederdruck“-Erklärung bis zu einem gewissen Grad richtig. Die NASA erkennt dies in ihrem Artikel an (siehe zweite Referenz unten), aber ihre letztendliche Erklärung konzentriert sich viel mehr auf mathematische Anwendungen und weniger auf eine physikalische Erklärung.

Newtons 3. Gesetz

Auf der Seite des 3. Newtonschen Gesetzes wird die aerodynamische Nettokraft durch eine Umlenkung des relativen Windes nach unten (bekannt als "Downwash") verursacht. Wenn Sie sich das Vektordiagramm ansehen, das die Kräfte des Flügels in der Luft beschreibt, zeigt sich, dass diese Umlenkung durch eine Kraft auf den Wind durch den Flügel verursacht wird, die nach unten und mehr oder weniger senkrecht zur Sehnenlinie des Flügels zeigt (die Linie direkt zwischen der Vorderkante und der Hinterkante). Dies führt aufgrund des 3. Newtonschen Gesetzes zu einer Kraft des Windes auf den Flügel in der entgegengesetzten Richtung (nach oben und mehr oder weniger senkrecht zur Sehnenlinie); Diese nach oben gerichtete aerodynamische Nettokraft erklärt den Auftrieb und den induzierten Widerstand (Widerstand, der durch die Hebeprozesse des Tragflügels verursacht wird, nicht zu verwechseln mit dem parasitären Luftwiderstand, der ein Luftwiderstand ist, der durch die Oberflächen des Flugzeugs verursacht wird;

An der Unterseite des Flügels lässt sich diese Luftumlenkung einfach erklären. Der relative Wind trifft auf den Boden und wird von der Tragfläche durch die Normalkraft der Tragfläche weggedrückt.

Auf der Oberseite des Flügels wird die Luft durch ein als Coanda-Effekt bekanntes Phänomen umgelenkt, was zu einer laminaren Strömung führt (der relative Wind folgt dem Flügel und wird von ihm nach unten gerichtet). Ich werde ausführlicher beschreiben, warum der Wind dieser laminaren Strömung folgt, wenn ich das zweite große Auftrieb erzeugende Phänomen erkläre, das mit Drücken zu tun hat (da Sie die Informationen aus diesem Abschnitt benötigen, um den Coanda-Effekt zu verstehen).

Hoch-/Niederdruck

An der Unterseite des Flügels herrscht im Vergleich zu Patm (atmosphärischer Druck) ein höherer Luftdruck. Dies liegt daran, dass Luftströme konzentriert werden, wenn ihre Wege durch das Strömungsprofil blockiert und umgeleitet werden. Eine höhere Luftkonzentration führt zu einem höheren Druck.

Ebenso wird auf der Oberseite des Tragflügels verhindert, dass Luftströme direkt die Oberfläche des Flügels erreichen, wodurch ein Hohlraum entsteht, in dem eine geringere Konzentration von Luftpartikeln und somit ein geringerer Druck herrscht. Da Flüssigkeiten natürlicherweise von hohem zu niedrigem Druck fließen, wird die Luft bei Patm weit über dem Flügel nach unten "gesogen" und schmiegt sich an die Oberfläche des Flügels. Aber selbst bei dieser laminaren Strömung (wie wir oben besprochen haben) gibt es immer noch eine Niederdruckzone auf der Oberseite des Flügels; Die Luft aus der laminaren Strömung reicht immer noch nicht aus, um diese Region wieder auf Patm zu bringen. Dies kann durch Betrachten einer Druckkarte eines Tragflügels festgestellt werden – Sie werden sehen, dass es einen Niederdruckbereich auf der Oberseite des Flügels gibt, selbst wenn eine laminare Strömung vorhanden ist. Dieser Abschnitt sollte auch beantwortet haben, warum laminare Strömung existiert (siehe den letzten Teil des Teils des 3. Newtonschen Gesetzes oben).

Da Sie schließlich einen höheren Druck (Kraft pro Flächeneinheit) auf der Unterseite des Flügels haben als auf der Oberseite des Flügels, sind die Kräfte auf das Tragflächenprofil unausgeglichen und zeigen nach oben, in eine ähnliche Richtung wie die Nettoaerodynamik Kraft, die durch das dritte Newtonsche Gesetz (siehe oben) verursacht wird. Dies trägt zur aerodynamischen Nettokraft bei.

Aufgrund des geringeren Drucks auf der Oberseite des Flügels im Vergleich zur Unterseite bewegt sich der Luftstrom auf der Oberseite des Flügels gemäß der Bernoulli-Gleichung schneller als auf der Unterseite (im Grunde führt in einem Luftstrom eine Druckabnahme zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit und umgekehrt) -- Siehe das Flussdiagramm oben in diesem Beitrag. Dies mag der Grund dafür sein, dass die Theorie der „gleichen Zeit“ (dass der Luftstrom auf der Oberseite des Flügels eine größere Strecke zurücklegen muss, damit er schneller reisen muss) so weit verbreitet ist. Der Luftstrom auf der Oberseite bewegt sich schneller, aber nicht, weil es eine längere Strecke ist.

Dies erklärt auch die „Flügelspitzenwirbel“ – jene wirbelnden Luftwirbel, die man (unter bestimmten Bedingungen) hinter den Flügeln eines Flugzeugs ziehen sieht. Dies liegt daran, dass die Hochdruckluft von der Unterseite des Flügels über die Enden des Flügels wirbelt, um zu versuchen, den Niederdruckbereich oben zu neutralisieren (weil Flüssigkeiten dazu neigen, sich von hohem zu niedrigem Druck zu bewegen). Sie erhöhen den Druck auf der Oberseite des Flügels etwas (und verringern dadurch den Druck auf der Unterseite), wodurch die Druckdifferenz verringert wird. Da sich das Flugzeug jedoch bewegt, erreicht nicht die gesamte Luft, die von unten nach oben strömt, ihr Ziel als Tragfläche bewegt sich aus dem Weg und lässt diese Luft in einem kreisförmigen Wirbel wirbeln. Dieser Hochdruckluftstrom verringert den Auftrieb (weil er die Druckdifferenz verringert). Aus diesem Grund wurden Winglets erfunden (die vertikalen Flügelverlängerungen am Ende der Flügel), um einen Teil dieser Strömung zu blockieren und den Auftrieb (und damit die Kraftstoffeffizienz) zu erhöhen. Der "Bodeneffekt" oder das Phänomen, das den Auftrieb erhöht, wenn sich ein Flugzeug in Bodennähe befindet, ist darauf zurückzuführen, dass der Boden der Luft im Wege steht, die versucht, aufzuwirbeln und den niedrigen Druck auf der Oberseite des Flügels zu neutralisieren.

Letzte Kommentare

Ein weiteres aerodynamisches Phänomen, das ich mit dieser Erklärung in Verbindung bringen werde, ist ein "Stall". Wenn ein Tragflügel ins Stocken gerät, verliert er viel Auftrieb und kann der Schwerkraft nicht mehr entgegenwirken, wodurch das Flugzeug zu Boden stürzt. Als Pilot habe ich viele Male Stalls geübt und es gibt zwei auffällige Dinge, die zu einem Stall führen. Einer davon ist, dass das Flugzeug erheblich an Fluggeschwindigkeit verliert, wenn Sie beginnen, den Anstellwinkel zu vergrößern. In diesem Fall wird die Gesamtkraft auf den Flügel nach hinten abgewinkelt, sodass es sich hauptsächlich um einen induzierten Widerstand und nicht um einen Auftrieb handelt (bis zu einem bestimmten Punkt erhöht die Erhöhung des Anstellwinkels den Auftrieb, da dies die Gesamtkraft auf das Tragflächenprofil erhöht). Winkel erhält extremen Auftrieb beginnt abzunehmen und der Luftwiderstand nimmt weiter zu). Schließlich, wenn das Flugzeug ins Stocken gerät, spüren Sie einen plötzlichen Ruck nach unten durch das Flugzeug, als ob eine Schnur, die es hochhält, gerade durchtrennt würde. In diesem Fall hat der Flügel seinen kritischen Anstellwinkel erreicht und die laminare Strömung auf der Oberseite des Flügels (wie oben beschrieben) hat sich getrennt (weil der niedrigere Druck auf der Oberseite des Flügels den Wind nicht mehr nach unten ziehen kann, um sich anzupassen seine Oberfläche als die notwendige Kraft, um den Geschwindigkeitsvektor des Windes um diesen großen Winkel zu ändern, kann nicht durch diesen Druckunterschied ausgeübt werden. Sobald das Flugzeug abgewürgt ist, müssen Sie die laminare Strömung wieder an den Luftstrom anhängen, um sich vom Abriss zu "erholen" - in einem Flugzeug Sie Tun Sie dies, indem Sie mit dem Joch nach unten neigen.

In Zukunft würde ich diesen Beitrag gerne um weitere mathematische Erklärungen zur Berechnung des Auftriebs eines bestimmten Tragflügels erweitern und andere verwandte Dinge wie Auftriebskoeffizient, Reynolds-Zahl, Berechnung des kritischen Anstellwinkels und verwandte Themen untersuchen . Dieses Feld wird im Allgemeinen von empirischen Daten dominiert, und einige davon mit komplizierter Mathematik zu durchbrechen, ist schwierig, macht aber Spaß (ganz zu schweigen von der Art und Weise der Zukunft, zumal Computer diese mathematischen Modelle jetzt für uns verarbeiten können und viel schneller sind dabei als Experimente sein können).

Nützliche Quellen:

1. allstar.fiu.edu/aero/airflylvl3.htm

2. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/bernnew.html

3. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

4. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong2.html

5. grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong3.html

6. www.youtube.com/watch?v=YyeX6ArxCYI

Die einfachste Antwort, von der ich weiß, dass sie immer noch richtig ist, ist, dass eine Kraft die Luft davor aus dem Weg schieben muss, damit sich ein Objekt durch die Luft bewegt (Schwerkraft, Motoren, Impuls usw. spielen keine Rolle). Wenn mehr Luft nach unten als nach oben gedrückt wird (z. B. durch Flügel), wird die Differenz als Auftrieb bezeichnet.

Flügel erzeugen Auftrieb und drücken Luft nach unten. Als Kind habe ich immer meine Hand aus dem offenen Autofenster gesteckt und sie gekippt - es gibt eine nach oben gerichtete Kraft. Eine flache Platte tut dies.

Flugzeugflügel könnten also flache Platten sein, aber leider erzeugen flache Platten viel Widerstand, sobald sie Auftrieb erzeugen, da sich die Strömung am oberen Ende sofort ablöst (geschweifte Spirale im Bild oben). Dieser Effekt könnte durch die Verwendung einer gewölbten Platte anstelle einer flachen Platte reduziert werden, wodurch Wirbel auf der oberen Oberfläche reduziert werden:

Das Problem bleibt jedoch, dass die gewölbte Platte, sobald sie weiter geneigt wird, genauso wie die gerade flache Platte viel Luftwiderstand erzeugt. Eine Wassertropfenform ist widerstandseffizienter als eine flache Platte, da die Strömung aufrechterhalten wird. Und was ist ein anderer Flügelquerschnitt als eine gewölbte Platte mit einem Wassertropfenquerschnitt?

Es wird ein bisschen verwirrend, wenn wir uns die Beschleunigung der Luft am oberen und unteren Druck usw. ansehen, insbesondere wenn wir die Erzeugung des Auftriebs daraus erklären wollen. Letztendlich wird der Auftrieb erzeugt, indem die Luft nach unten beschleunigt wird, und die Kontinuität der Masse impliziert, dass die Luft auf der Oberseite beschleunigen muss. Es ist eher eine Wirkung als eine Ursache.

Hier ist ein Link zum Webbuch von John S. Denker über Tragflächen. Dies ist wahrscheinlich die endgültige Erklärung dafür, wie Flügel funktionieren. John Denker hat eine Reihe von Websites, die einen Besuch wert sind.

http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

Fazit: Damit ein 150.000-Pfund-Flugzeug in der Luft bleibt, muss es der Luft, durch die es fliegt, 150.000 lbft Impuls verleihen. Sie können über Luftdruckunterschiede (usw.) sprechen, aber das ist nur der Anfang der Erklärung. Wenn Sie der Meinung sind, dass die gleiche Laufzeit oder die Flügelkrümmung dafür sorgen, dass Flügel funktionieren, ist dies ein Muss.

Ein einfacher Weg, es zu verstehen, ist, dass der Flügel als Flügel in einem Ventilator fungiert. Wenn man sich im richtigen Winkel durch die Luft bewegt, bildet sich oben ein Vakuum. Die vordere Spitze muss rund sein, damit sich die Luft reibungslos bewegen und ausdehnen kann, um das Vakuum zu erzeugen.

Flache Böden und andere Formen maximieren diesen Effekt einfach, sind aber nicht notwendig. Aus diesem Grund ist es möglich, kopfüber zu fliegen, solange der Flügel im richtigen Winkel auf die Luft trifft. (Nicht im rechten Winkel.)

Update : Siehe Eigene Experimente zum Flow Turning am Ende dieses Beitrags

Ich bin ein unabhängiger Wissenschaftsjournalist, habe viel über Mythen und falsche Erklärungen rund um das Heben recherchiert und diese Erklärung ist das Ergebnis:

Das Problem. Wie wir wissen, wird das Prinzip der Auftriebserzeugung im Allgemeinen und der Magnus-Effekt in vielen Quellen falsch verstanden und falsch erklärt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit um eine Tragflächenwölbung (oder eine sich drehende Kugel / Zylinder im Fall des Magnus-Effekts) und der damit verbundene Unterdruck (Bernoulli-Effekt) ist nicht wie oft behauptet die Ursache des Auftriebs, sondern unterstützt nur die Auftriebserzeugung, weil es so ist ist eine Beschleunigung der Luft. Es ist jedoch immer noch ein wichtiger Faktor im Auftriebsmechanismus, da es Teil der Auftriebskraft ist (Kraft = Masse x Beschleunigung ). Diese zusätzliche Beschleunigung aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit kann zu der normalen Beschleunigung hinzugefügt werden, die mit der Kraft verbunden ist, die eine Strömung zum Drehen bringt.

Die wahre Ursache. Ebenfalls allgemein anerkannt ist, dass die eigentliche Ursache des Auftriebs die Luft ist, die durch den Winkel oder die Form des Tragflügels nach unten gedreht wird, und diese Kraft verursacht eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung, wie unter anderem von der NASA erklärt. Dennoch ist der Mechanismus für viele Menschen noch unklar. Ich versuche, mit einigen sehr einfachen, selbst entwickelten Experimenten und Beispielen, die leicht verständlich sind, etwas mehr Einblick zu geben. (siehe auch diese Videodemonstration). Wir wissen, dass eine Kraft erforderlich ist, um eine Strömung umzukehren. Je größer die Auslenkung, desto größer die Kraft. Eine Drehung ist eigentlich eine Beschleunigung. Während der Drehung muss eine gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung wirken (drittes Newtonsches Gesetz). Dies ist der eigentliche Auftrieb am Flügel. Es ist klar, dass ein bestimmter Radius der Strömungsdrehung (Aktion) zu einem gleichen Radius der Gegenkraft (Reaktion) führt. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Reaktion des Schaufelblatts auf den beschleunigten Luftstrom durch die Wechselwirkung der Schaufelblattoberfläche mit der Grenzschicht verursacht wird.

Zentrum des Drucks. Der Schlüssel zum Erzeugen von Aktion = Reaktion auf dem Schaufelblatt ist die Viskosität der Luft, da die notwendige Wechselwirkung nicht stattfinden würde, wenn die Luft weniger oder mehr am Schaufelblatt haften würde. Diese Kräfte wirken überall auf das Schaufelblatt, außer im Druckmittelpunkt (CP). tritt dort auf, wo die durchschnittliche Auslenkung am größten ist, also gibt es auch den größten Aktions-=Reaktionspunkt. Dies ist der Punkt, an dem die Auftriebskraft auf das Schaufelblatt wirkt. Wir können dies leicht mit ausgefahrenen Klappen überprüfen. Die Klappen bewirken eine stärkere Umlenkung der Luft an der Hinterkante, dadurch verlagert sich der Druckmittelpunkt mehr zur Hinterkante als ohne Klappen.

Die wahre Auftriebskraft. Da die Luft nach unten abgelenkt wird, übt die Luft eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung aus, was bedeutet, dass sie sich zum Druck auf die Unterseite des Flügels addiert, was zu einem größeren Vektor nach oben führt. Aber auf der Oberseite des Flügels haben wir jetzt einen kleineren Vektor, da der Druck abgesenkt wird, weil hier ein Abzug des Drucks durch die Kraft nach oben erfolgt. Das Ergebnis ist eine Nettokraft nach oben. Diese vertikale Druckabsenkung ist die eigentliche Auftriebskraft.

Zusammenfassend: Wir haben eine relativ geringe tangentiale Druckminderung (in Strömungsrichtung wirkend), die der Bernoulli-Anteil ist und der beschleunigende Teil der Auftriebskraft ist. Und wir haben eine enorme vertikale Druckreduzierung, die der Newtonsche Teil der Auftriebskraft ist, der tatsächlich bewirkt, dass sich das Schaufelblatt nach oben bewegt, und der bestimmt, wo sich auf dem Schaufelblatt der Druckmittelpunkt befindet und wo die resultierende Auftriebskraft wirkt. Der größte Teil des Drucks, den wir auf einer Isobarenfigur eines Tragflügels sehen, ist vertikal und nur wenig ist tangential. Dies entspricht früheren Messungen von Aerodynamikern, dass der Druckabbau in Strömungsrichtung (Bernoulli) nicht dem tatsächlich erzeugten Auftrieb entspricht.Um den Zusammenhang zwischen dem Druckabfall in Strömungsrichtung und dem Druckabfall in vertikaler Richtung zu verstehen, muss man sich bewusst machen, dass die Umlenkung einer Strömung zur Erzeugung von Auftrieb immer von einem Druckgradienten begleitet wird , also wenn die Strömung über die Spitze beschleunigt des Strömungsprofils und senkt den Druck (Bernoulli-Prinzip) und wird dann nach unten gedreht, um eine Auftriebskraft zu erzeugen, die Strömung wird verzögert und der Druck steigt. Dieser Druckanstieg auf der Oberseite des Flügels ist vernachlässigbar im Vergleich zum Druckabfall auf der Oberseite, der durch die nach unten beschleunigte Luft verursacht wird, daher bewegt sich der Flügel nach oben und wir haben Auftrieb.

Noch ein Beispiel. Stellen Sie sich einen flachen Plattenflügel vor, der mit einem Anstellwinkel von null fliegt, mit einer Klappe an der Hinterkante, die nach unten zeigt. Stellen Sie sich nur den Luftstrom auf der Oberseite dieses Flügels vor. Es gibt keine Beschleunigung und damit verbundene Druckabsenkung der Strömung, da die Strömung kein Hindernis passiert. Es trifft nur auf ein ungünstiges Druckgefälle, wenn es sich über die Klappe nach unten bewegt, weil es zu einer Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einem Anstieg des Strömungsdrucks kommt (Bernoulli). Aber da die Strömung nach unten abgelenkt wird, wirkt gleichzeitig eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung und daher gibt es auf der Oberseite eine viel, viel wichtigere Druckabnahme(weil die Kraft nach oben dem von oben kommenden Umgebungsdruck entgegenwirkt). Diese durch die „vertikale“ Wirkung verursachte Druckabnahme ist die eigentliche Auftriebskraft.

Update : Eigene Experimente zum Fließdrehen. Am 26.09.2018 fand ich bei eigenen Flow-Turning-Testexperimenten mit selbst entwickelten Karton-Nurflügelgeräten starke Beweise für eine Theorie, die ich schon lange vermutet hatte. Dies beinhaltet die Wichtigkeit der Entfernung des Strömungsumlenkens in Bezug auf die Steilheit des Umlenkens. Kurz erklärt: Die Wendestrecke scheint wichtiger zu sein als der Wendewinkel. Beim Wurf des Flügels und beim Abschätzen der Lage des Druckmittelpunkts gewann immer die Seite mit der längsten Drehung vor der Seite mit der steilsten Drehung, egal in welcher Ausrichtung der Flügel war.

Die Testergebnisse:

--Kurze steile Kurve vorne nach unten, lange weniger steile Kurve hinten nach oben.> Ergebnis: positives Momentum, Nase bewegt sich nach oben. Dies ist die Wirkung der Kurve hinten als überwiegend nach unten weisende Kurve vorne würde ein Nose-Down-Moment erzeugen, da dies ein negativer Anstellwinkel wäre.

--Lange weniger steile Kurve vorne nach oben, kurze steile Kurve hinten nach unten.> Ergebnis: positives Momentum, Nase bewegt sich nach oben. Dies ist der Effekt der langen, weniger steilen Kurve vorne, da dies ein positiver Anstellwinkel ist.

Die Ergebnisse meiner Erkenntnisse entsprechen der Tatsache, dass die Strömung, die sich an der Vorderkante eines Profils dreht, tatsächlich am größten ist, aber nicht den größten Impuls erzeugt. Das Drehen zur Hinterkante nach dem Punkt der maximalen Wölbung ist jedoch länger, es gewinnt, also erzeugt es den CP-Schwung. Es erscheint jedoch logisch, dass bei einem Kampf zwischen zwei Kurven gleicher Länge die Kurve mit dem steilsten Winkel gewinnt.

Eines meiner selbst entwickelten Geräte, um Experimente mit Auftrieb, Strömungsdrehung und Druckschwerpunkt durchzuführen: Der FWSCLm Demonstrator (Flying Wing Stability & CL movement) . Der vordere Stift kann ein- und ausgefahren werden, um den Schwerpunkt zu regulieren. Die hinteren Klappen werden verwendet, um die Krümmung des Flügelprofils zu erhöhen oder zu verringern, um das Auftriebszentrum zu regulieren. Seitenansicht

Wie erzeugt eine kleine Kugel eine Zentripetalkraft, wenn sie sich auf einer gekrümmten Oberfläche bewegt? Der Grund ist die Schwerkraft. Wenn die kleine Kugel eine Geschwindigkeit entlang des roten Pfeils hat, neigt die kleine Kugel dazu, sich entlang der normalen Richtung der Oberfläche zu entfernen, sodass die Kraft der kleinen Kugel auf die gekrümmte Oberfläche verringert wird, also die Zentripetalkraft der kleinen Kugel, die sich entlang der Oberfläche bewegt, wird erhalten.

Wir verwandeln die kleinen Kugeln auf der Oberfläche in Luft. Wenn sich die Luft nicht bewegt, nehmen Sie an, dass die Luftkraft auf der gekrümmten Oberfläche F ist, und wenn die Luft eine Geschwindigkeit entlang der Richtung des roten Pfeils hat, ist die Luftkraft auf der gekrümmten Oberfläche f, weil die Luft hat eine Tendenz, entlang der normalen Richtung der gekrümmten Oberfläche zu gehen, also F > f. Luft hat also eine Zentripetalkraft, die sich entlang einer gekrümmten Oberfläche bewegt, wodurch sich Luft entlang einer gekrümmten Oberfläche bewegt.

Die von Luft auf die gekrümmte Oberfläche ausgeübte Kraft ist Luftdruck. Eine Abnahme des Luftdrucks ist eine Abnahme der Kraft, die Luft auf eine gekrümmte Oberfläche ausübt.

Die gekrümmte Oberfläche hier ähnelt dem Flügel.

Der Auftrieb ist eine Kraft, die aufgrund der Druckdifferenz über einem Flügel erzeugt wird . Wenn Sie also in der Lage sind, über und unter einem Flügel einen unterschiedlichen Druck zu erzielen, haben Sie Auftrieb. Nach dem grundlegenden Newtonschen Gesetz würde diese Kraft nun vom Bereich mit hohem Druck zum Bereich mit niedrigem Druck gelenkt (weil der Bereich mit hohem Druck die Oberfläche drückt, indem er im Vergleich zum Bereich mit niedrigem Druck mehr Kraft auf sie ausübt Druck, der die Oberfläche mit einer relativ geringeren Kraft drücken würde).

Nun kommt es darauf an, diese Druckdifferenz zu erzeugen. Dies wird durch die Ausnutzung einer interessanten Flüssigkeitseigenschaft erreicht: Eine schnell fließende Flüssigkeit hat im Vergleich zu einer sich langsam bewegenden Flüssigkeit einen niedrigeren Druck. Diese Eigenschaft kann mit verschiedenen mathematischen Mitteln nachgewiesen werden und ist wunderbar in das Bernoulli-Prinzip integriert . Daher ist das Bernoulli-Prinzip ein mathematischer Ausdruck einer inhärenten Eigenschaft einer Flüssigkeit.

Um nun Auftrieb zu erhalten, kann die erforderliche Druckdifferenz erzeugt werden, indem das Schaufelblatt so umströmt wird, dass die Geschwindigkeiten des Fluids unter und über dem Schaufelblatt unterschiedlich sind. Dies wird erreicht, indem die Form des Flügels (Camber) so verändert wird, dass er asymmetrisch wird. Die Asymmetrie verursacht aus folgendem Grund unterschiedliche Geschwindigkeiten am oberen und unteren Teil des Schaufelblatts:

Wenn ein Fluid die Vorderkante des Strömungsprofils erreicht, wird ein Teil des Fluids nach oben verdrängt, während ein Teil davon nach unten verdrängt wird. Aufgrund der Asymmetrie des Strömungsprofils hat das Fluid, das sich nach oben bewegt hat, im Vergleich zu dem Fluid, das unter das Strömungsprofil gelangt ist, eine geringere Querschnittsfläche, durch die es sich bewegen kann. Dieser Unterschied in der Fläche, die dem Fluid für die Bewegung zur Verfügung steht, erzeugt den Unterschied in den Geschwindigkeiten des Fluids in verschiedenen Regionen. Diese Eigenschaft von Fluiden, sich in Bereichen mit kleinerem Querschnitt schneller und in Bereichen mit größerem Querschnitt langsam zu bewegen, kann in mathematischer Form durch Anwendung der Massenerhaltung abgeleitet werden und wird Kontinuitätsprinzip genannt .

Daher erzeugen veränderte Strömungsgeschwindigkeiten einen Druckgradienten, der wiederum eine Kraft auf den Flügel bewirkt, die als Auftrieb bezeichnet wird. Nun kann dieser Auftrieb in jede Richtung erfolgen (was durch Integration sehr kleiner Kräfte auf sehr kleine Flächen auf der Flügeloberfläche herausgefunden werden könnte). Die Komponente dieser Kraft senkrecht zur Geschwindigkeitsrichtung des Flugzeugs wird als Auftriebskraft bezeichnet, während die andere Komponente parallel zur Geschwindigkeit des Flugzeugs dann in der Widerstandskraft enthalten ist.

BEARBEITEN

Für eine sehr genaue Darstellung der Gleichungen, die das Fluidverhalten bestimmen, kann argumentiert werden, dass das Bernoulli-Prinzip falsch ist. In diesem Fall ist die Navier-Stokes-Gleichung gültig, aber zum Verständnis kann jede zeitinvariante (stetige) in kompressibler, reibungsfreier Strömung als der Bernoulli-Gleichung gehorchend angesehen werden.

Darüber hinaus würde es für eine echte Flüssigkeit die Bernoulli-Gleichung meistens nicht befolgen, aber das allgemeine Verhalten der Druckreduzierung mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wird immer noch beobachtet, obwohl der genaue Druckabfall nicht durch die Bernoulli-Gleichung berechnet werden kann. In solchen Fällen wird die Gleichung von Navier Stoke verwendet, um den Druckabfall, der aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit entsteht, korrekt zu berechnen.

BEARBEITEN 2

Bei symmetrischen Flügeln erzeugt der Flügel keinen Auftrieb, wenn die Strömung den Flügel symmetrisch sieht, was an sich bedeutet, dass ein symmetrischer Flügel mit einem Anstellwinkel von 0 keinen Auftrieb erzeugen würde. Um von einem symmetrischen Flügel Auftrieb zu erhalten, wird er in einem gewissen Winkel zur Strömung platziert, so dass die Strömung ihn „asymmetrisch“ sieht, und daher kann die obige Erklärung verwendet werden, um das in diesem Fall erzeugte Leben zu erklären.

BEARBEITEN 3

Erklärung für Flugzeuge, die auf dem Kopf fliegen: Damit ein normales Flugzeug fliegt, ist ein positiver Anstellwinkel erforderlich. Geben Sie diesem Flugzeug eine Geschwindigkeitsachsenrolle von 180 Grad, erhalten Sie ein Flugzeug mit einem Anstellwinkel von -ve und daher einem negativen Auftrieb. Aber ein Flugzeug kann den Flug mit negativem Auftrieb nicht aufrechterhalten, also müssen die auf dem Kopf fliegenden Flugzeuge den Anstellwinkel von -ve auf positiv erhöhen, indem sie die Nase nach oben ziehen (das würde die Nase in Richtung Himmel drücken). Ebene runter). Dadurch ändert sich der Anstellwinkel und wird +ve. Der +ve-Anstellwinkel bedeutet, dass der Flügel nun ein Leben erfährt, bei dem ein auf dem Kopf stehendes Flugzeug Auftrieb nach oben hat (dies entspricht einem normalen Flugzeug mit -ve-Anstellwinkel und daher negativem Auftrieb).

Ein Flugzeug fliegt durch mehrere Mechanismen. Der erste ist der Bernoulli-Effekt, der durch die Flügelwölbung verursacht wird, die eine Druckdifferenz erzeugt, die den Flügel nach oben drückt, wenn er sich vorwärts durch die Luft bewegt. Beachten Sie, dass Vögel gewölbte Flügel haben. Es ist jedoch möglich, ein Flugzeug mit völlig flachen Flügeln und überhaupt ohne Wölbung zu haben, daher ist es ein Fehler zu glauben, dass dies die einzige Auftriebsquelle ist (wie es einige der obigen Antworten getan haben).

Auch der Winkel an der Flügelwurzel ist wichtig. Wenn Sie Ihre Hand schräg aus dem Autofenster strecken, spüren Sie, wie sie nach oben gedrückt wird. Derselbe Effekt wird in einem Flugzeug erreicht, indem die Tragflächen relativ zur Flugzeugrumpfebene leicht nach oben gewinkelt werden.

Schließlich sollten Sie sich bewusst sein, dass der Grund, warum ein Flugzeug in der Luft bleibt, nichts mit dem Auftrieb zu tun hat, sondern mit der Oberfläche, die es dem Boden bietet. Die Hauptkraft, die ein Flugzeug aufrecht hält, ist der Luftwiderstand, der eine Funktion dieser Oberfläche ist. Die Kraft dieses Luftwiderstands ist viel größer als die Kraft, die durch die beiden vorherigen Effekte erzeugt wird. Beispielsweise ist ein wichtiges Konstruktionskriterium für ein Flugzeug, ob es einen quadratischen Rumpf oder einen runden/ovalen Rumpf hat. Ein quadratischer Rumpf bietet dem Boden mehr Oberfläche und hat somit eine größere Effizienz, um in der Luft zu bleiben. Aus diesem Grund hatten fast alle frühen Flugzeuge quadratische Rümpfe. Ein runder Rumpf bewegt sich jedoch effizienter vorwärts als ein eckiger, daher ist in einem Flugzeug, das auf Geschwindigkeit ausgelegt ist, rund besser. Ein Flugzeug mit rundem Rumpf fliegt schneller,

Das gleiche Argument gilt für die Flügelfläche. Je größer der Flügel, desto mehr Luftwiderstand. Aus diesem Grund haben Segelflugzeuge im Vergleich zu Motorflugzeugen relativ große Tragflächen. Der Nachteil eines großen Flügels ist der gleiche wie bei einem quadratischen Rumpf: Das Flugzeug fliegt langsamer.

Um es noch einmal zusammenzufassen, es gibt drei Faktoren, die ein Flugzeug in der Luft halten: vertikaler Luftwiderstand aufgrund der nach unten gerichteten Oberfläche, der Winkel der Flügel an der Flügelwurzel und der Bernoulli-Effekt, der mit der Wölbung in den Flügeln verbunden ist.