Warum strömt die Luft schneller über die Oberseite eines Tragflügels?

Addon von Alex Qvist: Wenn die Luft auf die Vorderseite des Flügels trifft, strömt sie in einer steileren Kurve nach oben als der untere Flügelstrom. Dies erzeugt ein Vakuum auf der Oberseite des Flügels und dies zieht mehr Luft in Richtung der Oberseite des Flügels. Diese Luft macht dasselbe, bewegt sich aber schneller, weil das Vakuum sie anzieht, und dann hebt das Vakuum natürlich den Flügel an.

Hauptbeitrag:

Die allgemeine Erklärung ist, dass es schneller über die Oberseite des Flügels fließt, weil die Oberseite stärker gekrümmt ist als die Unterseite des Flügels. Ich verstehe jedoch, warum Sie diese Erklärung unbefriedigend finden würden.

Ich denke, zunächst müssen wir den Punkt identifizieren, an dem sich die Strömung ablöst. Wenn ich mir Wikipedia ansehe , poste ich zwei Bilder:

Das Argument, dass der Wind über die Spitze schneller strömt, ist meist eine Folge der Geometrie. Identifizieren Sie zuerst den Punkt, an dem sich die Strömung trennt, dh der Punkt, über dem die Flüssigkeit übergeht und unter dem die Flüssigkeit untergeht, dieser liegt etwas unterhalb des vordersten Punktes des Schaufelblatts, da es leicht nach oben geneigt ist. Wenn beide Pfade ungefähr die gleiche Zeit benötigen, um über den Flügel zu gelangen, ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit vom Trennungspunkt bis zum Heck, wo die Strömung wieder zusammenfließt, ungefähr proportional zum Abstand von diesen beiden Punkten.

Jetzt können Sie sagen: "Aber es fließt schneller über die Spitze, auch wenn die Spitze nicht stärker gekrümmt ist!" Du hättest recht. Ein Flugzeug kann ohne zusätzliche Krümmung auf der Flügeloberseite funktionieren, wie der berühmte xkcd-Comic zeigt. Bei einer solchen Flugweise wird die Flüssigkeit jedoch immer noch schneller über die Oberseite des Flügels strömen. Ein einfaches Argument dafür ist, dass der Trennpunkt niedriger ist als die Vorderseite des Flügels, da der Flügel wieder nach oben geneigt ist. Ein Flugzeug kann kopfüber fliegen, aber ich kenne kein Flugzeug, das die Höhe mit nicht angewinkelten Flügeln halten kann. Die gebogene Oberseite erhöht jedoch die Effizienz, indem sie diesen natürlichen Effekt verstärkt.

Ich hoffe, das hilft einigen, dies ist absichtlich keine strenge Antwort, und ich möchte anerkennen, dass ich nicht auf die haarigeren Details der damit verbundenen tatsächlichen Flüssigkeitsgleichungen eingehe, die für eine vollständige Erklärung erforderlich sind. Kurz gesagt, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit über einer Oberfläche ist nicht vollständig proportional zur zurückgelegten Entfernung. Aber auch ohne darauf einzugehen, denke ich, dass Ihre Frage größtenteils beantwortet ist.

Ein weiterer Versuch

Mir ist klar, dass meine Antwort bis zu diesem Punkt möglicherweise nicht nur unvollständig ist, sondern die Frage möglicherweise nicht beantwortet. Die Frage ist, warum sich die Strömung oben schneller bewegt als unten. Lass mich noch ein Bild posten.

Es gibt 2 Dinge, die ich hier anmerken möchte.

1. Die Flüssigkeit über dem Flügel beschleunigt und die Flüssigkeit unter dem Flügel verlangsamt sich . Ich möchte nur bestätigen, dass dies immer noch der Fall ist.
2. Die oben und unten fließende Flüssigkeit hat nicht die gleiche Laufzeit über den Flügel.

Nummer 2 ist besonders wichtig, weil es einfach nicht richtig ist zu sagen, dass die Geschwindigkeit proportional zum Abstand zwischen dem Trennungs- und dem Wiedervereinigungspunkt ist. Diese Betrachtungsweise kann noch einen gewissen Nutzen haben. Aber ich schweife ab.

An dieser Stelle wiederhole ich die Erklärung von Wikipedia , verweise aber auf das 2. Bild in dieser Antwort. Unter einigen Annahmen kreuzt die Flüssigkeit die blauen Stromlinien nicht . Das heißt, wenn sich die Kanalgröße zwischen 2 blauen Stromlinien verengt oder erweitert, ändert sich die Flüssigkeitsgeschwindigkeit entsprechend. Ich winke immer noch mit vielen technischen Details, aber lassen Sie mich dies bitte als grundlegende Antwort anbieten.

Die Flüssigkeit auf der Oberseite des Flügels wird beschleunigt und die Flüssigkeit auf der Unterseite des Windes wird im Vergleich zur Geschwindigkeit des Flugzeugs selbst verlangsamt, da die Flügelgeometrie und der Winkel den Strömungsbereich über dem Flügel verengen und den Strömungsbereich unter dem Flügel erweitern

Das ist die absolut beste Erklärung, die ich habe. Wenn Sie davon ausgehen, dass die Flüssigkeit inkompressibel ist, funktioniert sie hervorragend, wenn nicht, funktioniert sie weniger gut, funktioniert aber immer noch. Es gibt auch einige andere Annahmen, ich hoffe, dass der allgemeine Punkt bei allen Eingeschlossenen immer noch derselbe ist. Der fettgedruckte Text ist die beste Antwort, die ich habe, und ich denke, es ist eine gute.

Eine Flüssigkeit überträgt Kräfte nur durch Druck. Wenn ein Schaufelblatt Auftrieb erzeugt, muss dies daran liegen, dass die Oberseite einen niedrigeren Druck hat als die Unterseite in der stationären Strömung. Die Höhe des Auftriebs kann durch die Ablenkungsrate der Luft nach unten verstanden werden, aber der Auftriebsmechanismus ist immer ein Hochdruck auf der Unterseite und ein Niederdruck auf der Oberseite. Niedrigdruckregionen beschleunigen ein Fluid, und Hochdruckregionen verlangsamen es, nur weil das Fluid Arbeit verrichtet, um in den Hochdruckbereich einzutreten, und Arbeit daran verrichtet wird, um in den Niederdruckbereich einzutreten. Daher ist die Geschwindigkeit oben höher als unten.

Die Geschwindigkeit oben und unten garantiert jedoch nicht, dass die Laufzeit gleich ist, daher ist die Erklärung, dass sich das Tragflügelprofil abhebt, weil sich die Luft darüber schneller bewegt, falsch. Aber die Tief- und Hochdruckregionen existieren. Beachten Sie, dass, wenn Sie den Anstellwinkel eines Tragflügels so einstellen, dass die daran vorbeiströmende Luft nach oben abgelenkt wird, der Druck unten geringer und oben größer ist, sodass sich die Luft oben langsamer bewegt.

Grundsätzlich strömt die Luft schneller über die Oberseite, aber nicht, weil sie einer Regel der gleichen Zeit gehorchen muss - es ist wirklich eine völlig erfundene Regel, die nicht wahr ist.

Der Flügel ist abgewinkelt und hinter der Oberseite des Flügels befindet sich ein Bereich mit geringerem Druck - ganz einfach, der Flügel hat sich gerade aus dieser Stelle herausbewegt - genau wie ein Pumpenkolben - die Luft muss sich drehen, um den Flügel zu treffen. Vor dem Flügel befindet sich ein Bereich mit höherem Druck, da die Luft durch den Flügel gedrückt wird. Diese Druckdifferenz wirkt auf den Flügel und erzeugt Auftrieb.

Das oft zitierte Gesetz von Bernoulli ist erklärungsbedürftig.

Es ist wirklich sehr einfach. Wenn Luft in einen Bereich mit niedrigem Druck strömt, wird sie beschleunigt, ähnlich wie bei einer Achterbahnfahrt - sie wird in einen Bereich mit niedrigem Druck gesaugt! Und wenn es unter Hochdruck gerät, wird es langsamer, ähnlich wie bei einer Achterbahnfahrt nach oben. Wenn zwischen den Strömungslinien keine Reibung besteht, kann sich die Strömungsgeschwindigkeit nur über diese druckgesteuerte Beschleunigung und Verzögerung ändern. Die Luft, die in den Niederdruckbereich oben auf dem Flügel eintritt, beschleunigt sich. Die Luft, die unten in den Hochdruckbereich eintritt, wird langsamer. Deshalb bewegt sich Luft oben schneller.

Dies führt zu einer Ablenkung der Luft nach unten, die aufgrund der Impulserhaltung (was ein wahres physikalisches Gesetz ist) zur Erzeugung von Auftrieb erforderlich ist. Damit die Luft nach unten abgelenkt wird, ist es notwendig, dass die Luft oben schneller geht, aber das ist nichtsdestotrotz keine Erklärung dafür, wie wir die Luftbewegung oben schneller gemacht haben, es ist nur eine Erklärung, warum wir es wollen würden.

Die übliche Erklärung des Auftriebs macht es rückwärts - sie geht von einer schnelleren Strömung über die Oberseite des Tragflügels aus, verwendet ein erfundenes, falsches Gesetz der gleichen Laufzeit, um dies zu rechtfertigen, und verwendet dann Bernoullis Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Druck, um niedrigen Druck und Auftrieb zu erklären.

In gängigen einführenden Lehrbüchern wird der Ansatz verfolgt, alles ohnehin auf Dinge zu reduzieren, die dem Autor nicht vorgeworfen werden können, nicht erklärt zu haben, idealerweise „Gesetze“. Das Ziel ist im Wesentlichen psychologisch; ein Gefühl des Verstehens im Kopf des typischen Lesers zu erzeugen .

Die Wissenschaft funktioniert anders; Anstatt ein bestimmtes Gefühl im Kopf anzustreben, produziert es Theorien, die es ermöglichen sollen, Dinge vorherzusagen.

Das wesentliche Merkmal eines Flügels ist, dass er den Luftstrom umleitet. Ankommende Luft bewegt sich horizontal (relativ zur Ebene), und hinter dem Flügel hat die Luftmasse eine nach unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente.

Tatsächlich biegt die Luftmasse, die sich relativ zum Flügel bewegt, um eine Ecke . Daraus folgt, dass die Luftmasse auf der „Außenspur“ eine längere Strecke zurücklegt als die Luftmasse, die der „Innenspur“ folgt.

Der Auftrieb ergibt sich aus der Aktions-Reaktions-Dynamik . Zum Vergleich: Ein Hubschrauberrotor erzeugt Auftrieb, indem er eine Kraft auf die Luft ausübt. Diese Kraft beschleunigt die Luftmasse nach unten, und die Reaktion trägt den Hubschrauber.

Das Hauptphänomen ist, dass die Luftmasse durch den Flügel (nach unten) umgeleitet wird. Dies hat zwei Konsequenzen:
* Der Flügel erzeugt Auftrieb .
* Die Luftmasse strömt schneller über die Oberseite des Flügels

Es ist üblich, den Vorschlag zu sehen, dass die oben schneller strömende Luftmasse den Auftrieb erzeugt. Dies ist jedoch nicht der eigentliche Überblick von Ursache zu Wirkung. Primär ist, dass die Luftmasse umgeleitet wird.

Hier ist ein Bild, das den Luftstrom um einen Flügel zeigt.

Man könnte leicht den Eindruck gewinnen, dass der Auftrieb im Flügel durch die von unten abgelenkte Luft erzeugt wird. Es stimmt, dass dadurch etwas Auftrieb entstehen kann, der größte Teil des Auftriebs wird jedoch durch die Wirkung auf die Oberseite des Flügels erzeugt.

Stellen Sie sich vor, dass die Stromlinie$A$in der obigen Abbildung streift nur den höchsten Punkt auf der Oberseite des Flügels. Wenn auf diese Stromlinie keine äußere Kraft einwirkt, würde sie einfach geradeaus tangential zu diesem Punkt verlaufen und nicht dem Flügel folgen. Dies würde zu einer Art Vakuum zwischen der Stromlinie und dem Flügel führen. Somit würde die Stromlinie aufgrund des Druckunterschieds darüber und darunter nach unten gedrückt, um der Oberfläche des Flügels zu folgen, und würde während des Kurses auch beschleunigen. Die Stromlinie$B$der knapp darüber liegt$A$würde sich ähnlich beugen, um zu folgen$A$, usw.

Der Druck auf der Flügeloberseite ist geringer als der Umgebungsdruck, und dies ist die Hauptgrundlage für die Erzeugung von Auftrieb.

Beachten Sie auch, dass diese Abnahme des Luftdrucks (in Bezug auf den Umgebungsdruck) über der Flügeloberseite mit zunehmendem Abstand vom Flügel abnimmt.

Hier ist eine Simulation, die den Geschwindigkeitsunterschied von Stromlinien über und unter dem Flügel zeigt. Im Gegensatz zu weit verbreiteten Missverständnissen treffen sich die Stromlinien, die sich an der Spitze des Flügels trennen, nicht am Heck des Flügels.

Ich erinnere mich entfernt an einen Vergleich mit der Druck-Strömungs-Beziehung in Rohren: Aufgrund des Bernoulli-Prinzips wirkt die Oberseite des Schaufelblatts wie ein dünnes "Rohr", in dem (unter Berücksichtigung der Volumen- / Massenerhaltung) mehr zu transportierende Flüssigkeit schneller fließt , Verringerung des Drucks auf das Rohr (Erhöhung des Drucks in Strömungsrichtung).

Das ist der Grund für den Unterdruck über der Tragflächenoberseite und den Auftrieb

Ich denke, die Neigung wird aus Streugründen verwendet (Verstärkung, aber nicht die Ursache des Auftriebs), sodass die Ebene auch mit Flügeln parallel zum Boden fliegt.

@xkcd - Fliegen auf dem Rücken kann viel Lenken in die entgegengesetzte Richtung bedeuten (oben)

Der vordere Keil des Flugzeugflügels schlägt durch die Geometrie der Flügeloberseite kräftig gegen den anströmenden Wind, sodass die Luftmasse an der Kollisionsstelle nach oben gedrückt wird.

Die Luftmoleküle direkt hinter dem Flügel sind also dünner und werden dünner, wenn das fliegende Flugzeug seine Position nach vorne verschiebt. Die dichte Luftmasse am Flügel drückt das Flugzeug in diesen Hohlraum hinter dem Keil, der aufgrund weniger Moleküle im Inneren einen niedrigen Druck aufweist. Die Schaffung des Hohlraums ist ein sich kontinuierlich vorwärts bewegender Niederdruckbereich, der den Auftrieb kontinuierlich aufrechterhält . Da der Hohlraum weniger Moleküle enthält, haben die Moleküle der zurückströmenden Luftmasse einen freieren Weg zum Heck und haben somit eine höhere Geschwindigkeit.

Dies erklärt die Erzeugung von sowohl niedrigem Druck als auch höherer Geschwindigkeit auf der Oberseite. Höhere Geschwindigkeit auf der Oberseite und längere Distanz über die gekrümmte Oberfläche sorgen beide zusammen dafür, dass die am Keil abgetrennte oberseitig strömende Luftmasse gleichzeitig mit dem durch die Unterseite des Flügels strömenden Strom zusammenfließt, wenn sie über das Heck strömen. Hier findet die Bernoulli-Gleichung statt, während der zuvor beschriebene Auftrieb nach den Newtonschen Gesetzen wirkt. Tatsächlich bedeuten beide Gesetze dasselbe, wobei Bernoulli eine Nachwirkung von Newtons mit unterschiedlichen Formulierungen beschreibt.

Laienhaft ausgedrückt: Es ist das gleiche Phänomen wie das Herausstrecken einer offenen Handfläche aus einem fahrenden Auto. Der Winkel Ihrer Hand (Anstellwinkel) bestimmt die Auftriebskraft. Es geht um den Luftwiderstand. Der Luftstrom findet unter dem Flügel einen höheren Widerstand (geringere Luftgeschwindigkeit) und entweicht über dem Flügel (höhere Luftgeschwindigkeit). Die gewölbte Oberseite des Flügels (falls vorhanden) macht die Luftströmung noch einfacher, geringerer Widerstand (höhere Geschwindigkeit). Je flacher sich eine gewinkelte Oberfläche nach vorne bewegt, desto mehr Widerstand stellt sie dar. Dieser Mechanismus findet hauptsächlich während des Abhebens und Landens statt. Beim geraden Kampf sogar in einem gleichmäßig geformten Flügel wie einem Flachflügel, dem Flugzeugwird von seinen Triebwerken nach vorne gelassen und in der Luft stabilisiert und von seinen Flügeln angehoben. Allerdings behält der Pilot in diesem Fall die ganze Zeit einen kleinen Anstellwinkel (abhängig auch hauptsächlich von der gegebenen Schubleistung des Flugzeugs) des Flugzeugs bei, so dass Auftrieb erzeugt wird, um das Flugzeug in einer horizontalen Flugposition zu halten, die unter dem kompensiert Einfluss der Schwerkraft.

Bei einem Anstellwinkel von null wird bei einem flachen Flügel kein Auftrieb erzeugt.

Auch die Tragflächen normaler Flugzeuge haben normalerweise einen vom Hersteller vorinstallierten, festen kleinen Anstellwinkel relativ zu ihrem Rumpf.

Eine andere Interpretation des oben beschriebenen Bernoulli-Prinzips besagt, dass eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zu einem niedrigeren Druck führt und umgekehrt. Daher ist der Luftdruck unter dem Flügel höher als der Druck über dem Flügel, wodurch eine Auftriebskraft entsteht.

Kurze Antwort auf Ihre Frage: Der Luftstromimpuls findet weniger Widerstand (weniger Flügelfläche dagegen) auf der Oberseite der Flügelbahn und entweicht dort mit schnellerer Geschwindigkeit. Die geschwungene Oberseite des Schaufelblatts setzt dem Luftimpuls noch weniger Widerstand entgegen als die flach geformte Unterseite, da die meisten Luftmassen mit sehr wenig Widerstand und Reibung abgleiten.

Zuerst muss man anhalten und sich anschauen, was wirklich passiert, wenn ein Flugzeug fliegt. Nicht die Luft bewegt sich, sondern das Flugzeug, egal ob Drehflügel oder Starrflügler. Es gelten die gleichen Prinzipien. Bernoulie und Newton haben beide Recht, weil sie dasselbe sehen. Die Luft ist fließend und der Luftdruck ist rund um den Flügel gleich. Der Flügel schlägt in die Luft und trennt die Luftmoleküle. Die Luft auf der Oberseite wird mit hoher Geschwindigkeit weggedrückt. Dies führt dazu, dass die Luftmoleküle oben mehr Moleküle nach oben stoßen. Direkt hinter dem Airodynamic Ridge befindet sich der niedrigste Punkt des Luftdrucks. Aus diesem Grund erzeugt ein langer Flügel mehr Auftrieb. Da Luft flüssig ist, drückt sie an der statischen Luftpresse nach hinten gegen die Moleküle. Sie werden also an die Oberfläche zurückgedrängt. Das ist Bernoulie!, Die Unterseite ist Newton, die Luft wird je nach Anstellwinkel gegen die Unterseite des Flügels gedrückt, der Flügel wirkt wie ein Keil und gleitet über die Luft. Flügel mit geringerer Wölbung funktionieren aufgrund der hohen Turbulenzen bei höherer Geschwindigkeit besser für Jets. Dies ist möglicherweise eine andere Erklärung als an den meisten Orten. Aber ich hatte die gleiche Frage und musste es aufgrund von Kaugummi-Antworten herausfinden.