Airfoil: Wie Flugzeugflügel Auftrieb erzeugen
(ciechanow.ski)- Fliegen ist das Ergebnis der Druckverteilung und der Kräfte, die durch die Luftströmung um einen Flügel entstehen; ein Airfoil ist die Querschnittsform des Flügels, die diese Kräfte erzeugt.
- Luftströmung sollte nicht als zufällige Bewegung einzelner Moleküle verstanden werden, sondern als mittlere Geschwindigkeit in kleinen Bereichen; die Relativgeschwindigkeit aus Sicht eines Objekts kann auch ruhende Luft wie Wind wirken lassen.
- Druck entsteht, wenn Luftmoleküle auf Oberflächen prallen, und Druckunterschiede um ein Objekt drücken Luft und feste Oberflächen, wodurch sich Geschwindigkeit und Richtung ändern.
- Mit größerem Anstellwinkel nimmt der Auftrieb zu; oberhalb eines kritischen Winkels löst sich jedoch die Grenzschicht ab, es kommt zum Strömungsabriss, und der Auftrieb sinkt.
- Viskosität, Grenzschicht, Turbulenz, Dicke und asymmetrische Formen verändern Auftrieb und Widerstand gemeinsam; reales Flügeldesign ist daher die Suche nach einer Druck- und Geschwindigkeitsverteilung, die den nötigen Auftrieb erzeugt und zugleich den Widerstand reduziert.
Der Flügelquerschnitt, der Flug ermöglicht
- Menschen träumten schon seit Langem davon, wie Vögel durch den Himmel zu fliegen. Heute ist Lufttransport selbstverständlich geworden, doch die Physik des Fliegens kann weiterhin wenig intuitiv sein.
- Das Prinzip, nach dem ein Flugzeug fliegt, lässt sich über die Kräfte verstehen, die durch die Luftströmung um die Tragflächen entstehen.
- Die Querschnittsform eines Flügels ist das Airfoil; diese Form und ihre Ausrichtung spielen eine wichtige Rolle dafür, dass ein Flugzeug in der Luft bleibt.
- Die Erklärung beginnt mit der Visualisierung von Luftströmungen und führt weiter zu Geschwindigkeit und Druck auf Molekülebene, zur Strömung um ein Airfoil, zu Viskosität, Grenzschicht und verschiedenen Airfoil-Formen.
Wie man Strömung sichtbar macht
- Luft ist transparent, daher ist ihre Bewegung schwer direkt zu sehen; man verfolgt Strömungen über die Wirkung des Winds auf Objekte wie Grashalme, Laub, Staub oder Rauch.
- Pfeile zeigen an einer festen Position Richtung und Geschwindigkeit der Luftströmung.
- Je länger der Pfeil, desto schneller ist die Strömung an dieser Stelle.
- Jeder Punkt hat seine eigene Geschwindigkeit; die gesamte Strömung kann als Geschwindigkeitsfeld (vector field) betrachtet werden.
- Marker bewegen sich wie sehr kleine, leichte Objekte mit der Strömung und zeigen den Weg, den ein Luftpaket tatsächlich zurückgelegt hat.
- Die Spur eines Markers wird zu einer zeitlichen Spur, die zeigt, woher dieses Luftpaket kam.
- Farbbasierte Visualisierung stellt statt der Richtung die Geschwindigkeitsgröße über die Helligkeit dar.
- Schnellere Strömung erscheint in helleren Farben.
- Wenn Richtungsinformationen nötig sind, können Pfeile darübergelegt werden.
- Im Folgenden wird Strömung zweidimensional behandelt; für die im Text erklärte Luftströmung reichen ebene Abbildungen aus.
- Eine Strömung, deren Eigenschaften sich mit der Zeit nicht ändern, ist eine stationäre Strömung; auch wenn die Pfeile fest erscheinen, ändert sich die Position der Luftpakete ständig.
Luftgeschwindigkeit und Relativgeschwindigkeit
- Selbst in einem kleinen Würfel mit 80 Nanometern Kantenlänge bewegen sich mehr als 12.000 Luftteilchen; reale Luft besteht aus noch viel mehr Teilchen.
- Auch in ruhender Luft bewegen sich Teilchen schnell in zufällige Richtungen.
- Bei Raumtemperatur beträgt die mittlere Geschwindigkeit von Luftteilchen etwa 1030 mph, also 1650 km/h.
- Jedes Teilchen kollidiert etwa 10 Milliarden Mal pro Sekunde.
- Die Geschwindigkeit einer Luftströmung ist nicht die Geschwindigkeit einzelner Moleküle, sondern die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen in einem bestimmten Bereich.
- In ruhender Luft mittelt sich die zufällige Bewegung der Teilchen nahezu zu 0 heraus.
- Wenn Wind weht, zeigt sich in der mittleren Bewegung vieler Teilchen eine geordnete Richtung.
- Wenn sich ein Objekt wie ein Auto oder Flugzeug bewegt, wird auch ruhende Luft aus Sicht des Objekts zu Wind, der in die Gegenrichtung strömt.
- Der Wind, den man spürt, wenn man die Hand aus dem Fenster hält, ist die Relativbewegung der Luft gegenüber dem Objekt.
- Sowohl gewöhnlicher Wind als auch der Wind, den ein bewegtes Objekt erfährt, sind Relativbewegungen zwischen Luft und Objekt.
- Aus Sicht eines Flugzeugs strömt Luft auf den Flügel zu; damit das Flugzeug nicht fällt, braucht es eine nach oben gerichtete Kraft, die die Schwerkraft ausgleicht.
- Bei einem Auto gleicht die Bodenreaktion die Schwerkraft aus.
- Bei einem Flugzeug gleicht der von den Tragflächen erzeugte Auftrieb die Schwerkraft aus.
Wie Druck Kräfte erzeugt
- Druck ist der kollektive Effekt der Kräfte, die entstehen, wenn Luftteilchen mit einer Oberfläche kollidieren.
- Die Kollision eines einzelnen Teilchens ist sehr klein, doch eine enorme Zahl von Kollisionen mittelt sich zu einer scheinbar gleichmäßigen Kraft auf der Oberfläche.
- Die Größe des Drucks hängt von der Stärke der Kollisionen pro Flächeneinheit ab.
- Wenn gleich großer Druck ausgewogen aus allen Richtungen auf ein Objekt wirkt, bewegt es sich nicht.
- Ist der Druck auf einer Seite größer, entsteht ein Kräfteungleichgewicht, und das Objekt wird zur anderen Seite gedrückt.
- Die auf ein Objekt wirkende resultierende Kraft wird stärker durch räumliche Druckunterschiede bestimmt als durch den absoluten Druck.
- Druckunterschiede bewegen nicht nur Festkörper, sondern auch die Luft selbst.
- Im Mittel bewegen sich Teilchen von Bereichen hohen Drucks zu Bereichen niedrigen Drucks.
- Ein frei vorhandener Druckunterschied verschwindet mit der Zeit schnell.
- Druck steigt sowohl mit der Zahl der Teilchen als auch mit ihrer mittleren Geschwindigkeit.
- Steigt die Temperatur und werden Teilchen schneller, werden die Kollisionen stärker, und der Druck nimmt zu.
- Realer Druck kann nicht negativ sein.
- Der niedrigstmögliche Druck ist 0, ein Zustand ohne Teilchenkollisionen.
- Der hier verwendete Begriff „Unterdruck“ meint der Einfachheit halber einen Druck unter dem statischen Druck.
Druckfeld und Strömung um ein Airfoil
- Die Druckverteilung lässt sich mit Farben und Konturlinien darstellen.
- Rot steht für Druck oberhalb des statischen Drucks, Blau für Druck darunter.
- Je enger die Konturlinien beieinanderliegen, desto schneller ändert sich der Druck.
- Richtung und Geschwindigkeit der Druckänderung lassen sich als Gradient betrachten; dieser Druckgradient verändert Geschwindigkeit und Richtung von Luftpaketen.
- Luft, die einen Druck-„Hügel“ hinaufströmt, wird langsamer.
- Luft, die einem Druck-„Gefälle“ folgt, wird schneller.
- Ein willkürlich erzeugtes Druckfeld kann physikalisch unplausibel sein.
- Markerbahnen können sich kreuzen, oder Luft kann scheinbar durch das Innere des Airfoils strömen.
- In einer stationären Strömung kann Luft an derselben Position nicht gleichzeitig zwei Geschwindigkeiten haben; kreuzende Markerbahnen sind daher unrealistisch.
- In realen Strömungen hängen Luftströmung, Druckfeld und Objektform zusammen.
- Bei gegebener Anströmgeschwindigkeit und Objektform wird das Druckfeld nicht beliebig platziert, sondern entsteht gemeinsam mit der Strömung.
- Das reale Druckfeld um ein Airfoil sorgt dafür, dass Luft nicht durch das Objekt hindurchgeht, sondern entlang seiner Oberfläche darum herumströmt.
Staudruck und Druckbalance vor und hinter dem Airfoil
- Da die Luft vor dem Airfoil das Objekt nicht durchdringen kann, bildet sich vorn Überdruck; dieser Druck verlangsamt die einströmende Luft und ändert ihre Richtung.
- Je schneller die Anströmung, desto größer muss der Druck sein, um die Luft anzuhalten und umzulenken.
- Der Druck, der nötig ist, um Luft einer bestimmten Geschwindigkeit anzuhalten, ist der Staudruck.
- Der Staudruck ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit; bei doppelter Geschwindigkeit ist der nötige Druck viermal so groß.
- Ober- und unterhalb des Airfoils entstehen Unterdruckbereiche, die dabei helfen, dass die Luft entlang der Oberfläche strömt.
- Ist der Unterdruck zu gering, bleibt die Strömung nicht korrekt an der Oberfläche haften.
- Ist er zu niedrig, würde Luft zurück zum Objekt gezogen, was zu einer unrealistischen Strömung führt.
- Hinten strömt Luft von Ober- und Unterseite in denselben Bereich zusammen, wobei sich teilweise Überdruck bildet.
- Dieser Druck trägt dazu bei, zu reduzieren, dass Luftpakete hinter dem Airfoil miteinander zusammenstoßen.
- Diese Balance lässt sich mathematisch mit den Navier–Stokes equations formulieren.
- Die Gleichungen behandeln die Bewegung von fluids wie Flüssigkeiten und Gasen zusammen mit Kräften wie Druck und Schwerkraft.
- Sie sind analytisch schwer zu lösen, doch Computersimulationen unterschiedlicher Komplexität können Einblicke in das Verhalten von Fluiden geben.
- Die Simulationen im Text sind vereinfachte Modelle und reichen nicht als Grundlage aus, um ein tatsächlich flugfähiges Flugzeug zu entwerfen.
Auftrieb, Widerstand und Anstellwinkel
- Addiert man alle Druckkräfte auf der Oberfläche eines Airfoils, erhält man die resultierende Kraft auf das Objekt.
- Die Komponente senkrecht zur Strömung ist der Auftrieb.
- Die Komponente in Strömungsrichtung ist Druckwiderstand oder form drag.
- Liegt ein symmetrisches Airfoil bei 0° Anstellwinkel, gleichen sich die Druckkräfte oben und unten im Mittel aus und erzeugen keinen dauerhaften Auftrieb.
- Wird das Airfoil geneigt, wird die Form aus Sicht der Strömung asymmetrisch, und Geschwindigkeits- sowie Druckfeld ändern sich zu einer neuen asymmetrischen Verteilung.
- Ein nach oben geneigtes symmetrisches Airfoil erzeugt Auftrieb nach oben.
- Wird es nach unten geneigt, entsteht eine Kraft nach unten.
- Der Anstellwinkel (angle of attack) ist der Winkel zwischen der Referenzlinie des Objekts und der Richtung der Anströmung.
- Mit größerem Anstellwinkel nimmt auch der Auftrieb zu.
- Bei symmetrischen Airfoils entsprechen sich positive und negative Anstellwinkel wie Spiegelbilder.
- Auch wenn man den Anstellwinkel weiter erhöht, wächst der Auftrieb nicht unbegrenzt.
- Ab einem bestimmten Punkt stagniert der Auftrieb.
- Oberhalb des kritischen Anstellwinkels tritt ein Strömungsabriss (stall) auf, und der Auftrieb nimmt ab.
Viskosität und Strömungsablösung
- Viskosität steuert, wie schnell sich Impuls in einem Fluid ausbreitet.
- In hochviskosen Fluiden vermischen sich Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten schnell und mitteln sich aus.
- In niedrigviskosen Fluiden bleiben Geschwindigkeitsunterschiede länger erhalten, und Wellen sowie Instabilitäten können stärker werden.
- Auch Strömung nahe einer festen Oberfläche wird von Viskosität beeinflusst.
- Das Fluid direkt neben der Oberfläche haftet scheinbar bewegungslos an ihr.
- Diese no-slip condition gilt für die meisten alltäglichen Fluidströmungen.
- Wenn sich die langsame Strömung an der Oberfläche mit der schnellen äußeren Strömung vermischt, entsteht eine Grenzschicht (boundary layer).
- Die Grenzschicht ist der Bereich, der an der Oberfläche mit Geschwindigkeit 0 beginnt und sich der Geschwindigkeit der äußeren Strömung annähert.
- Üblicherweise kann der Punkt, an dem 99 % der äußeren Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden, als Ende der Grenzschicht gelten.
- Der Geschwindigkeitsgradient innerhalb der Grenzschicht erzeugt Hautreibungswiderstand.
- Je steiler das Geschwindigkeitsprofil nahe der Oberfläche, desto größer ist der Hautreibungswiderstand.
- Bei vielen aerodynamischen Formen ist unter normalen Bedingungen der Hauptanteil des Gesamtwiderstands der Hautreibungswiderstand.
- Der Druckgradient beeinflusst, ob die Grenzschicht an der Oberfläche haftet oder sich ablöst.
- Ein günstiger Druckgradient, bei dem der Druck in Strömungsrichtung sinkt, beschleunigt die Luft und hemmt das Wachstum der Grenzschicht.
- Ein ungünstiger Druckgradient, bei dem der Druck in Strömungsrichtung steigt, kann die langsame Strömung in der Grenzschicht umkehren.
- Wenn die Grenzschichtströmung zurückläuft, löst sie sich von der Oberfläche, und es kommt zur Strömungsablösung.
Turbulente Grenzschicht und Strömungsabriss
- Bei hoher Geschwindigkeit, langen Distanzen und hoher Reynolds-Zahl kann die Grenzschicht von laminar zu turbulent übergehen.
- Eine turbulente Grenzschicht weist stärkere Durchmischung auf, ist dicker als eine laminare Grenzschicht und wächst schneller.
- Sie zieht schnelle äußere Strömung näher an die Oberfläche und widersteht ungünstigen Druckgradienten besser.
- Dafür ist der Hautreibungswiderstand größer als bei laminarer Strömung.
- Die Dimples eines Golfballs sind ein Beispiel dafür, wie die Grenzschicht turbulent gemacht wird, um Ablösung hinauszuzögern.
- Die verzögerte Ablösung verringert den Druckwiderstand.
- Der reduzierte Druckwiderstand gleicht den erhöhten Hautreibungswiderstand aus, sodass der Ball weiter fliegt als ein glatter Ball.
- Auch bei Airfoils kann eine turbulente Grenzschicht die Strömungsablösung verzögern und bei hohen Anstellwinkeln den Strömungsabriss hinauszögern.
- Unter normalen Reiseflugbedingungen ist die erhöhte Hautreibung ein wichtiger Nachteil.
- Ein Strömungsabriss tritt auf, wenn sich bei hohem Anstellwinkel die Grenzschicht auf der Oberseite großflächig ablöst.
- Das Druckfeld auf der Oberseite wird instabil.
- Es entstehen Wirbel und sich ablösende Vortices.
- Die komplexe abgelöste Strömung verändert das Druckfeld und verringert den Auftrieb.
Reynolds-Zahl und Viskosität verschiedener Fluide
- Das Strömungsverhalten hängt nicht nur von der Viskosität μ ab, sondern auch von Geschwindigkeit u, Dichte ρ und der Größe L des Objekts oder Behälters.
- Die Reynolds number ist definiert als
Re = ρ · u · L / μ.- Strömungen mit gleicher Reynolds-Zahl zeigen ähnliches Verhalten.
- Verdoppelt man die Hindernisgröße L und halbiert die Strömungsgeschwindigkeit u, bleibt die Reynolds-Zahl unverändert.
- Je größer die Reynolds-Zahl, desto wahrscheinlicher entsteht Turbulenz.
- Erhöht man die Geschwindigkeit, steigt die Reynolds-Zahl.
- Senkt man die Viskosität, steigt die Reynolds-Zahl.
- Die Viskositätswerte bei 20 °C unterscheiden sich je nach Fluid stark.
- Honig: etwa 10000 mPa·s
- Olivenöl: etwa 100 mPa·s
- Wasser: 1.0 mPa·s
- Luft: 0.018 mPa·s
- Die Viskosität von Luft ist etwa 50-mal niedriger als die von Wasser, doch selbst geringe Viskosität beeinflusst die Wechselwirkung von Strömung und festen Wänden.
Veränderungen der Airfoil-Form
- Bei kleinem Anstellwinkel kann auch eine flache Platte Auftrieb erzeugen.
- Eine Airfoil-Form ist keine notwendige Voraussetzung für die Erzeugung von Auftrieb.
- Auftrieb ist das Ergebnis der Druckverteilung, die von der Strömung erzeugt und aufrechterhalten wird.
- Ein gut entworfenes Airfoil kann mehr Auftrieb erzeugen oder weniger Widerstand verursachen als eine einfache Form.
- Ein symmetrisches Airfoil erzeugt bei 0° Anstellwinkel keinen dauerhaften Auftrieb; macht man jedoch Ober- und Unterseite unterschiedlich, entsteht auch bei 0° Auftrieb.
- Eine asymmetrische Form erzeugt eine asymmetrische Druckverteilung.
- Gewöhnliche Flugzeuge verwenden meist asymmetrische Airfoils.
- Bei Kunstflugzeugen, die auch im Rückenflug fliegen müssen, werden mitunter symmetrische Airfoils verwendet.
- Ein laminar flow airfoil kann so geformt werden, dass der Punkt des niedrigsten Unterdrucks weiter nach hinten wandert.
- Vom vorderen Bereich bis zum Punkt des niedrigsten Drucks hält ein günstiger Druckgradient länger an.
- Prinzipiell hilft das, die Grenzschicht laminar zu halten und die Hautreibung zu verringern.
- Eine runde Vorderkante und eine scharfe Hinterkante sind wiederkehrende Merkmale vieler Airfoils.
- Die runde Vorderkante hilft der Luft, bei verschiedenen Anstellwinkeln sanft um die Vorderseite zu strömen.
- Die scharfe Hinterkante hilft, Strömungsablösung zu vermeiden und den Druckwiderstand zu reduzieren.
Hochgeschwindigkeitsströmung und reale Flügel
- Die Strömung über der Oberseite eines Airfoils kann schneller werden als die Anströmung.
- Das lässt sich daran erkennen, dass Marker, die in derselben Linie gestartet sind, über dem Airfoil weiter nach vorn gelangen.
- Je größer der Anstellwinkel, desto deutlicher ist dieser Effekt.
- Verkehrsflugzeuge fliegen nicht schneller als der Schall, doch die über dem Flügel beschleunigte Strömung kann Überschallgeschwindigkeit erreichen.
- Dabei können Stoßwellen entstehen, die Widerstand erzeugen.
- Moderne Verkehrsflugzeuge verwenden supercritical airfoils, um diesen Stoßwellenwiderstand zu reduzieren.
- Für Überschallflugzeuge werden supersonic airfoils verwendet.
- Überschall-Airfoils sind dünn und haben keine runde, sondern eine scharfe Vorderkante.
- In Überschallströmungen werden Änderungen von Dichte und Temperatur zu wichtigen Faktoren des Strömungsverhaltens.
- Viele heutige Airfoils werden auf bestimmte Flugzeuge zugeschnitten.
- Die Querschnittsform kann sich entlang der Spannweite ändern.
- Reale Flugzeuge sind dreidimensionale Objekte, und auch die wing configuration hat großen Einfluss auf Auftrieb und Widerstand.
- Alle resultierenden Kräfte entstehen letztlich aus der Wechselwirkung zwischen Luftströmung und Objektform.
Weitere Lese- und Sehmaterialien
- John Andersons Fundamentals of Aerodynamics: ein Aerodynamik-Lehrbuch über Fluidbewegung und die Wechselwirkung von Objekten mit Strömungen
- Doug McLeans Understanding Aerodynamics: behandelt aerodynamische Phänomene durch physikalische Argumentation und die Probleme mehrerer populärer Erklärungen zum Auftrieb
- Die zugehörige video lecture gibt einen Überblick über einige Missverständnisse.
- Einführungsmaterial zu computational fluid dynamics
- Tony Saads series of lectures
- Lorena Barbas 12 steps to Navier-Stokes und video lectures
- Die beautiful videos von braintruffle: eine Videoserie, die schrittweise vom Fluidverhalten auf Quantenebene bis zu praktischen Modellen erweitert
- Transparente Luftströmung erzeugt Druck- und Geschwindigkeitsfelder, und der daraus entstehende Auftrieb hält ein Flugzeug gegen die Schwerkraft in der Luft.
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Ziemlich interessant, dass viele der in der Flugzeugkonstruktion verwendeten Profile in den 1920er- und 1930er-Jahren von der NACA stammen https://en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil
Man könnte meinen, mit moderner Computersoftware ließen sich bessere Profile entwerfen, aber diese Formen scheinen durch Mathematik und Experimente bereits ziemlich stark optimiert zu sein.
Wenn man heute ein Flugzeug entwerfen will, sieht es also so aus, als suche man sich einfach aus Tabellen das passende NACA-Profil für die benötigte Geschwindigkeit, den Luftdruck usw. heraus.
Außerdem unterscheidet sich das Profil an der Flügelwurzel normalerweise von dem an der Flügelspitze, und moderne Verbundwerkstoff-Flügel verändern im Flug adaptiv leicht ihre Form, um die Effizienz zu erhöhen.
Die NACA veröffentlichte für einige Parameterkombinationen Leistungswerte aus Windkanalversuchen; das waren nützliche Forschungsergebnisse, aber keine Erklärung nach dem Motto: „Diese Werte sind gut, verwendet nur diese.“
Das ist ähnlich, als würde man sagen, alle Satelliten folgten den TLE-Orbits, die NASA/NORAD in den 1950ern erstellt haben. Tatsächlich ist es nur ein Standardformat zur Angabe von Bahnelementen, die eine bestimmte Ellipse beschreiben, keine Liste „bewährter guter Umlaufbahnen“.
Das ist der Fall, wie im Geschwisterkommentar erwähnt, wenn man noch ein paar Prozent mehr aus den Leistungseigenschaften herausholen muss. Man kann xfoil auch heute noch laufen lassen; es ist ein ziemlich reizvolles, altmodisches Fortran-Programm.
Wenn ein Unternehmen oder eine Institution allerdings die letzten 5 % Leistung herauspressen muss, wird es bzw. sie mit einem dieser Profile beginnen und es für den Flugbereich und das Missionsprofil optimieren.
Es gibt auch ein Video, in dem eine runde Form Schritt für Schritt in ein für Überschall optimiertes Profil umgewandelt wird https://www.youtube.com/watch?v=FHYTBguMfWc
Verwendet werden hauptsächlich Profile der deutschen Professoren Wortmann (FX), Quabeck (HQ) und Boermans (DU). Bei Windturbinen kommen NACA-Profile allerdings noch zum Einsatz.
Das ist eine der bestgestalteten UX, die ich bisher gesehen habe. Das Layout ist sehr gut, die Navigation einfach, und UI-Elemente wie Einheitenumrechnungen werden bei Bedarf inline bereitgestellt.
Auch der Inhalt selbst ist hervorragend; ich mache mir Notizen, um ihn später als Referenz zu nutzen.
Ich bin mit Entenjagd aufgewachsen und habe deshalb recht intuitiv gelernt, wie Enten ihre Flügel einsetzen und wie sich deren Form je nach Geschwindigkeit verändert, wenn sie zum Landen auf dem Wasser abbremsen.
Ich bin außerdem mit Booten und Schwimmen aufgewachsen, daher verstehe ich auf ähnliche Weise das Gefühl fürs Rudern, dafür, ein Kanu geradeaus laufen zu lassen, und dafür, einen Bootsmotor per Trimm in Gleitfahrt zu bringen.
Deshalb wirken solche Artikel auf mich eher schwierig, weil vieles davon durch eine Intuition für Luft und Fluiddynamik bereits sichtbar ist. Ein festes Profil ist fast langweilig, wenn man sieht, was eine Ente kann.
https://www.youtube.com/watch?v=-3CVZYY8xS4
Wenn man die großen physikalischen Erklärungen weglässt, rudert diese Ente buchstäblich mit ihren Flügeln durch die Luft. Es sieht nach derselben biologischen Struktur aus, die man beim Schwimmen nutzt, um im Wasser oben zu bleiben.
Es ist nicht so simpel wie das Paddeln in einem Kanu. Warum haben Entenflügel genau diese Form, und warum bewegen sie sich auf diese Weise?
Ich muss an Analysen denken, wonach Flügel von Fruchtfliegen beim Schlagen wieder Energie aus der Luft zurückgewinnen https://www.nature.com/articles/s41598-021-86359-z
Ich weiß nicht, ob Enten etwas Ähnliches tun, aber Millionen Jahre Evolution sorgen dafür, dass diese Tiere es leicht aussehen lassen.
Ein Beispiel für ein Profil mit flacher Oberseite, das bei Modellflugzeugen gut genug funktioniert und einfacher zu bauen ist als Profile der NACA-Reihe, ist die KFm-Profilfamilie.
https://en.wikipedia.org/wiki/Kline%E2%80%93Fogleman_airfoil
Beim Bau von Modellflugzeugen aus Foamboard ist das sehr nützlich.
Das heißt, der Bereich vor der Stufe wirkt wie eine Art Canard-Fläche. Passt dieses Profil also zu Flugzeugen mit Leitwerk, aber nicht zu schwanzlosen Flugzeugen?
Nachtrag: Beim Durchblättern von KFs Papierflugzeugbuch sehe ich, dass für Papierflugzeuge tatsächlich eine Variante mit Stufe auf der Unterseite verwendet wurde.
Noch erstaunlicher ist für mich, wie man die Idee patentieren konnte, einem Deltaflügel einen Reflex-Camber zu geben, um einem schwanzlosen Flugzeug Stabilität zu verleihen. Das war seit den frühen manntragenden Gleitern bekannt, und jemand, der viele Papierflugzeuge faltet, hätte es vermutlich implizit entdeckt. Ich muss das Buch genauer lesen.
Uff. Ich bin früher zufällig auf den Beitrag dieser Person über mechanische Uhren gestoßen, obwohl mich das Thema überhaupt nicht interessierte, und habe dann den ganzen Rest des Tages damit verbracht, etwas über Uhren zu lernen.
Ich wünschte, jede Präsentation darüber, wie Flugzeuge fliegen, würde mit einer echten flachen Platte beginnen. Also mit einem Flügel mit flachem Querschnitt.
Ich halte die Profilform des Flügels für ein ablenkendes Element, das dem Verständnis im Weg steht. Wer schon einmal aus dem Fenster eines fahrenden Autos einen flachen Gegenstand gehalten hat, weiß, dass man keine ausgefallene Form braucht, um Auftrieb zu erzeugen.
Viele Leute glauben, dass Flugzeuge wegen der Form des Flügelprofils fliegen: Die Luft über der Oberseite müsse angeblich einen längeren Weg zurücklegen als die Luft darunter, dadurch entstehe nach Bernoulli ein Druckunterschied, und der hebe das Flugzeug an. Aber allein die Tatsache, dass ein Flugzeug auch auf dem Rücken fliegen kann, macht diese Erklärung ziemlich falsch.
Ich habe den Artikel nur grob überflogen, und die Animationen sind wunderschön, aber der entscheidende Punkt zum Verständnis dessen, was passiert, scheint mir zu fehlen.
Was ich sehen möchte, ist eine Erklärung, die den Flügel aus viel größerer Entfernung betrachtet und zeigt, was mit der Luft hinter dem Flügel passiert.
Tatsächlich fliegt ein Flugzeug vorwärts und lenkt dabei eine große Luftmasse nach unten um; es bleibt oben, indem es Luft wegdrückt.
Ein Teil der Luft wird von der Unterseite des Flügels umgelenkt, aber der größere Teil des Auftriebs entsteht in der größeren Luftmasse über und hinter dem Flügel. Aus Sicht einer ruhenden Luftmasse kann man sagen, dass diese Luft hinter dem Flügel nach unten gesaugt wird.
Die Hauptaufgabe eines Flügelprofils besteht darin, diese nachgelagerte Luftmasse über einen möglichst großen Bereich von Anstellwinkeln und Geschwindigkeiten am Profil anliegend zu halten. Eine flache Platte ist darin sehr schlecht.
Nebenbei: Ich habe einen Abschluss in Luft- und Raumfahrttechnik, habe xFoil benutzt und viel mit Strömungssimulationen gearbeitet.
Unter bestimmten Bedingungen kann man sie durch Kondensation tatsächlich sehen. Erhöht man den Anstellwinkel, werden die Blasen größer und stärker, bis sie bei zu großem Winkel „abreißen“ und der Flügel in den Strömungsabriss geht.
Bei einem typischen Flügelquerschnitt muss die Luft auf der Oberseite eine längere Strecke zurücklegen, bewegt sich daher schneller als die Luft auf der Unterseite und bewegt sich beim Verlassen des Flügels außerdem nach unten.
Wenn diese schnellere, nach unten gerichtete Strömung auf die langsamere Strömung darunter trifft, wird die Luftmasse nach unten gedrückt. Wie gesagt: Genau diese Arbeit ist nötig, um das Flugzeug anzuheben.
Auch der Artikel sagt, dass man mit einem symmetrischen Profil allein durch Änderung der Neigung Auftrieb erzeugen kann, und erklärt, dass ein asymmetrisches Profil auch ohne Neigung Auftrieb mit geringerem Widerstand erzeugen kann.
Außerdem erklärt er, dass Kunstflugzeuge symmetrische Querschnitte verwenden, weil sie auch auf dem Rücken leicht fliegen können müssen.
Beim nächsten Autofahren sollte ich gefahrlos die Hand hinaushalten und den Abrisswinkel meiner Hand testen.
Ich stimme zu, dass fast alle Materialien, auch dieser Artikel, die Querschnittsform des Flügels überbetonen. Jede Form, die länger als dick ist, erzeugt bei passendem Anstellwinkel Auftrieb.
In diesem Artikel kommt zwar auch ein Modell wie eine Scheunentür vor, aber erst ziemlich weit hinten.
Bei der Form geht es vor allem um Effizienz und darum, den nutzbaren Bereich der Anstellwinkel zu vergrößern; danach kommen feinere Unterschiede.
Abgesehen von einzelnen Einwänden: Dieser Artikel gehört zu den erstaunlichsten Erklärungen zu diesem Thema, die ich in den letzten Jahren gesehen habe. Wunderschön vermittelt und sogar interaktiv.
Ich frage mich, warum nicht gesagt wird, welche „eine Eigenschaft“ der erste Würfel-Slider steuert. Ist es Viskosität oder Luftgeschwindigkeit?
Später wird das genauer erklärt, aber tatsächlich geändert wird die Reynolds-Zahl. Das ist ein Wert, der aus Geschwindigkeit, Fluiddichte, Viskosität und Länge berechnet wird.
Das Schöne an der Reynolds-Zahl ist: Wenn zum Beispiel die Luftgeschwindigkeit unterschiedlich ist, aber die Reynolds-Zahl gleich bleibt, ergeben sich theoretisch dieselben Eigenschaften der Luftströmung.
Tatsächlich taucht das Wort Viskosität erst ungefähr nach drei Vierteln des gesamten Textes zum ersten Mal auf.
Ziemlich beeindruckend. Ich war neugierig, wie das Ganze gebaut wurde, und habe mir die Bildquellen angesehen; das meiste steckt in einer einzigen 10.000-Zeilen-JS-Datei, die die Grafiken in JS zeichnet, und es gibt auch einiges an schwer verständlichem WebGL.
Im Code stehen Kurvenkoordinaten wie diese:
function draw_car(ctx, rot) { ... ctx.bezierCurveTo(...) ... }Ich frage mich, wie der Workflow aussah. Ich kann mir kaum vorstellen, dass all diese Kurven von Hand programmiert wurden.
Allerdings ist der 2D-Teil wahrscheinlich generierter Code.