Um den Magnus-Effekt zu erklären, habe ich einen Vergleich zum Auftrieb beim Flugzeug gezogen. Leider war dieser Vergleich nicht ganz richtig; aber es war ehrlich auch echt nicht einfach eine gute Erklärung zu finden wie es denn nun wirklich funktioniert. Manche Kommentare liefen sogar wie “Das kann man nicht verstehen das sieht man nur in der Simulation wenn man die Navier-Stokes-Gleichung löst.” Ok, aber schließlich habe ich – dank Links von Ludmila und Florian, die mir unabhängig dieses Paper verlinkt haben – einen ganz guten Hinweis gefunden. Hier sind also erst zwei (teilweise) falsche Erklärungen und dann der Ansatz der hoffentlich richtigen:

Bisschen falsch

Meine Erklärung war dass die Luftmoleküle oben über den Flügel einen weiteren Weg zurücklegen müssen und deswegen dort der Druck niedriger ist. Richtig daran ist (und das war Gottseidank die Hauptaussage für den Vergleich mit dem Magnus-Effekt) dass der Druck oben am Flügel tatsächlich niedriger ist und daher der Auftrieb kommt. Falsch ist, dass der Grund dafür der längere Weg der Luft ist. Vor allem falsch ist die implizite Annahme, dass Luftmoleküle die sich vorne am Flügel trennen hinten wieder zusammenlaufen müssen. Im Gegenteil, die obenrüber kommen sogar früher an, wie z.B. diese Simulation zeigt. Dass diese Begründung falsch ist, kann man auch daran sehen, dass ein Brett, das keinen längeren Weg oben hat auch eine Tragfläche sein könnte. Oder noch besser – dass ein Kunstflieger auf dem Kopf fliegen kann.

Sehr falsch

Es gibt auch eine Erklärung, dass die Tragfläche Luft nach unten reflektiert, und dass die Gegenkraft zur Ablenkung das Flugzeug nach oben drückt. Das ist leider ziemlich falsch, da es völlig außer Acht lässt was oberhalb der Tragfläche passiert. Aber ein Körnchen Wahrheit ist drin, denn mit Wirkung und Gegenwirkung hat es tatsächlich zu tun.

Ja wie denn nun?

Das wichtigste Element zur Erklärung des Fluges ist die Reibung, die den Unterschied zwischen einem realen und einem idealen Fluid darstellt. Und hier ist eine schöne Zeichnung, die den Unterschied der Strömung zwischen realer und idealer Flüssigkeit darstellt (Luft wird für diesen Fall wie eine Flüssigkeit behandelt).
Hier ist was passiert: Das entscheidende Teil ist die hintere Kante der Tragfläche. Beim Beschleunigen des Flugzeugs wird hier Luft ankommen und wieder nach oben strömen. Die Luft näher an der Tragfläche wird aber eine höhere Reibung erfahren, die weiter entfernt strömende Luft wird die Drehung schneller durchführen und die innere Luft quasi überholen – es bildet sich ein Wirbel aus, der sogenannte Anfahrwirbel. Jetzt muss aber der Impuls erhalten bleiben, in diesem Fall der Drehimpuls – als Reaktion bildet sich ein Gegenwirbel aus, der um die Tragfläche liegt. Letztendlich ist es jetzt die gleiche Erklärung wie beim Magnus-Effekt: die zusätzliche Bewegung durch diese Zirkulationsströmung ist gleichläufig wie die generelle Bewegungsrichtung der Luftmoleküle an der Tragfläche vorbei. Daher wird hier die Geschwindigkeit der Luft höher sein als im Vergleich zu unten, und somit der Druck unten höher und das Flugzeug nach oben gedrückt.
Entscheidend dafür, ob ein Flugzeug fliegt ist also, ob die Tragfläche so eingestellt ist, dass die Luft an ihrer Hinterkante einen solchen Wirbel erzeugt. Die Seite der Lufthansa dazu ist auch lesenswert. Man erfährt auch, dass der Anfahrtswirbel noch eine Zeit lang auf der Startbahn steht und das nächste Flugzeug daher nicht sofort starten kann.

Kommentare (34)

  1. #1 arne
    09/20/2010

    in diesem satz fehlt das entscheidende wort 😉

    “Daher wird hier die Geschwindigkeit der Luft sein als im Vergleich zu unten, und somit der Druck unten höher und das Flugzeug nach oben gedrückt.”

    /edit Joerg: Danke, habs korrigiert!

  2. #2 beka
    09/20/2010

    Die Erklärung des Auftriebes beim angestellten Tragflügel ist immer noch nicht richtig.

    Die Wirbelschleppe hinter dem Flügel ist eine unerwünschte Nebenwirkung resultierend aus den Druckunterschieden an Ober- und Unterseite und der abwärts gerichteten Oberseite, die sich zwar nicht vermeiden lässt, die man aber möglichst minimieren möchte (kostet alles Sprit, da sie den Widerstand erhöht.).

    Ein ähnlicher Effekt tritt an den Flügelspitzen auf: Da auf der Unterseite ein größerer Druck als auf der Obererseite herrscht, kommt es zum Umschlagen der Luftströmung an den Flügelspitzen. Auch das erhöht den Widerstand und kostet nur Treibstoff. Um dem abzuhelfen, setzt man Winglets ein.

    Reibung bildet die Grenzschicht aus langsam fließenden Partikeln die am Profil kleben und auch den Widerstand erhöhen und sogar gefährlich wird, wenn sie zu dick wird und dadurch die Strömung abreist: Die Maschine gerät dann ins Trudeln. Um die Grenzschicht und damit die Reibung zu minimieren, wird die Oberfläche poliert, was das Zeug hält. Bei kritischen Profilen wird die Grenzschicht manchmal sogar nach innen abgesaugt.

    Der Auftrieb wird über die Druckunterschiede zwischen Unterseite und Oberseite integriert.

  3. #3 Jörg
    09/20/2010

    Doch, die Erklärung stimmt für den zweidimensionalen Fall. Im realen dreidimensionalen Fall gibt es noch Effekt am Ende der Tragflächen, aber das ist erstmal nicht interessant wenn man den Effekt der zum Fliegen führt verstehen möchte.

  4. #4 Jörg Friedrich
    09/21/2010

    Die Frage “warum ein Flugzeug fliegt” muss m.E. in einige verschiedene Einzelfragen zerlegt werden. In dem Post, in dem es um den Magnus-Effekt ging, war ja eher die Frage, warum ein Flugzeug wenn es einmal fliegt, in der Luft bleibt (verbunden mit der etwas missverständlichen Anspielung, dass es nicht “abschmiert, wenn die Turbulenz aufhört”). Hier scheint es eher um die Frage zu gehen, warum ein Flugzeug vom Boden abhebt.

    Es gibt, wenn ich das auf die Schnelle richtig sehe, wenigstens folgende unterschiedliche Fragen die unterschiedlich beantwortet werden müssen, wenn man Klarheit ins Fliegen von Flugzeugen bringen will:
    – Warum hebt ein Flugzeug von der Startbahn ab?
    – Wie hält ein Flugzeug seine Flughöhe?
    – Warum fällt ein Flugzeug nicht direkt herunter, wenn der Schub ausgeschaltet wird, sondern trudelt oder segelt.

    Diese drei Fragen müssen je nach Antriebsart (Propeller oder Rückstoß-Turbine) sowie Form der Tragflächen und der Leitwerke (man vergleiche die Tragflächen-Formen einer Cessna, einer Concorde, eines Kampfjets und eines Großraum-Passagierflugzeugs) ganz unterschiedlich beantwortet werden. Es gibt nämlich für verschiedene Flugzeugarten ganz prinzipiell unterschiedliche Antworten auf die Frage, warum sie fliegen.

  5. #5 Karl Mistelberger
    09/21/2010

    Nicht einmal die deutsche Wikipedia kennt die Kutta-Bededingung:

    A body with a sharp trailing edge which is moving through a fluid will create about itself a circulation of sufficient strength to hold the rear stagnation point at the trailing edge.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Kutta_condition

  6. #6 MartinB
    09/21/2010

    @Jörg
    Knapp und gut erklärt.

    Der Anfahrwirbel ist tatsächlich ein großes Problem, vor allem mit den neuen Riesenjets (Airbus A380 etc.) – die machen so eine Wirbelschleppe, dass kleinere Flugzeuge minutenlang nicht starten können, was ein problem bei der Flughafenkapazität darstellt. (Hurra! Die vielen Stunden im Seminar für Luft- und Raumfahrt zahlen sich mal aus!)

    @JF
    Verantwortlich ist immer der Wirbel, den Jörg richtig erklärt. (O.k., beim Überschallflug kommen noch andere Dinge ins Spiel, wenn ich es richtig erinnere.)

    Beim Startvorgang muss man erklären, woher der Wirbel kommt (Anfahrwirbel).
    Beim stationären Flug ist der Wirbel da und bleibt auch da (Druckunterschied/Magnus-Effekt-Analogie).
    Beim Ausschalten des Motors ist der Wirbel immer noch da und wird erst durch die bremsende Kraft auf das Flugzeug (Widerstand) abgebaut, die das Flugzeug bremst.

    Vielleicht hätte man zur Erklärung kurz die Wirbelsätze erwähnen können – Wirbel in einem Fluid können nicht einfach verschwinden oder entstehen, deshalb braucht man am Anfang auch den gegenwirbel, die “Wirbelsumme” muss erstmal Null sein.

  7. #7 AndreasM
    09/21/2010

    Macht ihr es euch da nicht komplizierter als es ist?
    Der Kern der Tragfähigkeit ist doch der Anstellwinkel bei laminar von vorn kommender Luft. Man teilt die ankommende Luft in zwei Hälften, gibt aber der einen Hälfte durch das Schrägstellen mehr Platz als der anderen, so dass die obere Hälfte dekomprimiert wird und die untere komprimiert, also oben ein Unterdruck und unten ein Überdruck entsteht.
    Wirbel und Reibung sind da Komplikationen, die man vermeiden will (aber natürlich nicht ganz vermeiden kann).

    In der Wirbelschleppe von Flugzeugen ist der Luftstrom eben nicht mehr laminar und so haben andere Flugzeuge Probleme, darin zuverlässig zu starten.

  8. #8 Jörg Friedrich
    09/21/2010

    @MartinB: Die “anderen Dinge” kommen nicht erst beim Überschallflug ins Spiel. Aber es mag sein, dass ich hier zu viele Dinge ins Spiel bringen wollte, die die Sache unübersichtlich machen.

  9. #9 sjones
    09/21/2010

    Warum das Flugzeug fliegt weiß ich noch immer nicht. Die angebenen Modelle sind aber vernünftige Beschreibungen des Verhaltens von fliegenden Objekten.

    lg

    SJ

  10. #11 Karl Mistelberger
    09/21/2010

    Macht ihr es euch da nicht komplizierter als es ist?

    So ist es; ein Bild sagt mehr als tausend Worte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/Karman_trefftz.gif ( http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force) )

    Entscheidend dafür, ob ein Flugzeug fliegt ist also, ob die Tragfläche so eingestellt ist, dass die Luft an ihrer Hinterkante einen solchen Wirbel erzeugt.

    Die Strömung in der Animation ist wirbelfrei: Sie erzeugt dennoch einen Auftrieb. DIe Kutta-Bedingung wird durch die an der scharfen Hinterkante entspringenden Stromlinie angedeutet: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Streamlines_around_a_NACA_0012.svg

  11. #12 Jörg
    09/21/2010

    Die Strömung in der Animation ist wirbelfrei

    Nein ist sie nicht, die eine Strömungslinie endet in der Vorderkante der Tragfläche. Man sieht die Zirkulationsströmung nur wenn man die Differenz aus Fall mit und ohne Auftrieb darstellt wie in dem Bild, das ich verlinkt habe.

  12. #13 BreitSide
    09/21/2010

    Also ich habe das Gefühl, hier werden einige Dinge durcheinander geworfen.

    Zuerst geht es ja überhaupt nicht um den Anfahreffekt, sondern um den stationären Zustand des Fliegens mit konstanter Geschwindigkeit in horizontaler Richtung.

    Auch die Art des Antriebs (Propeller, Düsen, Trägheit) hat nichts damit zu tun.

    Auch nicht die Randwirbel.

    Betrachtet werden sollte ein unendlich langer Flügel.

    Und da ist es eindeutig: “oben rum” ist der längere Weg. Da Luft unter diesen Bedingungen praktisch inkompressibel ist, erhöht sich die Geschwindigkeit, und Bernoulli tritt in Kraft.

    Soweit, so gut.

    Nur reicht offensichtlich diese Kraft längst nicht aus, den vollen erlebten Auftrieb zu erklären. Das hab ich allerdings “nur” aus einem populärwissenschaftlichen Buch über Physik gelesen.

    Ein ganz anderer – eigentlich ganz simpler – Effekt tritt hier in Kraft: jede Fläche – auch eine dünne gerade – lenkt ein um sie strömendes Medium ab, wenn sie schräg gestellt ist.

    All die anderen angesprochenen Effekte wie Reibung oder Wirbel sind da eher nebensächlich.

    Ein Beispiel für den mächtigen Effekt der reinen Schrägstellung sind Schiffsruder. Die funktionieren auch ausnahmslos durch die Schrägstellung. Wäre der Auftrieb so toll, wäre es viel effektiver, die Form des Ruderblatts im Querschnitt zu ändern, indem man zB ein symmetrisches Ruderprofil fertigt und je nach Bedürfnis die rechte oder linke Hälfte aus dem Wasser zieht.

  13. #14 BreitSide
    09/21/2010

    Die schöne Zeichnung sagt mE überhaupt nichts zur Reibung. Auch ganz ohne Reibung wird die Luft oberhalb des Flügels – eben durch den längeren Weg in Richtung Flügelnase – stärker beschleunigt als unterhalb.

    Oder beim Modell des stehenden Flügels im Windkanal stärker gebremst als die Strömung unterhalb des Profils.

    Resultat ist dabei aber immer nur ein “lästiger Randeffekt” einer eben nicht endlos großen Spannweite. Warum sonst haben Hochleistungssegler höhere Spannweiten als ein A 380?

    Die “Reparatur”anstrengungen durch Winglets oder die (in mehreren Ebenen!) aufgefächerten Flügelenden zB des Bussards sind nur ein Versuch, näher an die Verhältnisse des Flügels unendlicher Spannweite zu kommen.

    Der große Wirbel um das gesamte Profil in der Zeichnung findet mE so auch nur an den Flügelenden statt bzw in etwas Abstand dazu, wenn die Wirbelschleppe sich verlangsamt und vergrößert hat.

  14. #15 BreitSide
    09/22/2010

    @jörg:

    Im Gegenteil, die obenrüber kommen sogar früher an, wie z.B. diese Simulation zeigt.

    Also sorry, diese Simulation zeigt mE auf keinen Fall die Verhältnisse eines sich durch ruhende Luft bewegenden Flügels (bzw eines ruhenden Flügels in einem stationären Windkanals unendlichen Querschnitts).

    Die Luftpakete am oberen Rand, der ja mehr als 10 Profildicken vom Profil entfernt ist, haben ja eine noch höhere Differenzgeschwindigkei zu denen am unteren Rand als die direkt ober- und unterhalb des Profils. Müsste man nicht erwarten, dass “weit genug” ober- bzw. unterhalb des Profils (10-fache Profildicke dachte ich reicht) die Luftpakete wieder gleich schnell sind? Ein Flugzeug beeinflusst ja weder die Luft am Boden noch die 10 km über ihm.

  15. #16 BreitSide
    09/22/2010

    Dieses Video zeigt dieses eigenartige Verhalten sehr schön (mittels gepulster Rauchfahnen): http://www.youtube.com/watch?v=6UlsArvbTeo

    Anscheinend schiebt das angestellte Profil unter sich eine ziemlich große Luftmasse in Flugrichtung mit und auch etwas nach unten. Diese kann es ja recht gut nach unten schieben, da dort eine recht “weiche” Federung (Luft!) wartet. Damit erklärt sich auch sehr gut der Bodeneffekt, bei dem die nach unten gedrückte Luft stärker zurückdrückt, weil sie stärker komprimiert wird und so einen erhöhten Auftrieb bewirkt.

    Im übrigen finde ich diese: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Stroemungsablenkung.jpg&filetimestamp=20071206191221 und diese: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Auftrieb1.svg&filetimestamp=20080106140021 Grafik für den Impulserhaltungssatz sehr aufschlussreich und aussagekräftig.

    Fast denselben Effekt erreiche ich durch ein einfaches schräg gestelltes Brett. Es sollte nur vorne abgerundet sein, damit sich keine Unstetigkeitsstelle bildet und die Luft nicht abknicken muss, was sie gar nicht gerne macht.

  16. #17 BreitSide
    09/22/2010

    Noch eine Überlegung: Propeller oder Hubschraubertragflügel haben so gut wie kein Profil und funktionieren praktisch vollständig durch den Anstellwinkel.

    Wie gesagt: machen wir es uns im ersten Schritt nicht unnötig schwer und betrachten möglichst ideale Zustände.

    Das Kapitel hieß übrigens so ähnlich wie “Es war Newton, nicht Bernoulli!”. Möglicherweise war es das Buch “Was Einstein seinem Frisör erzählen würde” oder so.

  17. #18 Karl Mistelberger
    09/22/2010

    Nein [wirbelfrei] ist sie [die Strömung] nicht.

    Das Bild basiert auf einer Arbeit von Richard L. Fearn (Computed using the Wolfram Demonstrations Project Code Potential Flow over a NACA Four-Digit Airfoil by Richard L. Fearn and beautified in Adobe Illustrator CS3.)

    Dieser schreibt dazu:

    Panel methods are numerical models based on simplifying assumptions about the physics and properties of the flow. The viscosity of air in the flow field is neglected, and the net effect of viscosity is summarized by requiring that the flow leave the sharp trailing edge of the airfoil smoothly (Kutta condition). The compressibility of air is neglected, and the curl of the velocity field is assumed to be zero (no vorticity in the flow field). Under these assumptions, the vector velocity describing the flow field can be represented as the gradient of a scalar velocity potential, and the resulting flow is referred to as potential flow. A statement of conservation of mass in the flow field leads to Laplace’s equation as the governing equation for the velocity potential.

    http://demonstrations.wolfram.com/PotentialFlowOverANACAFourDigitAirfoil/

  18. #19 beka
    09/22/2010

    Ich versuche es noch einmal zu erklären:

    Ludwig Prandtl hat 1914 ein genial einfaches und anschauliches mathematisches Modell für den Auftrieb beschrieben, indem er – in Analogie zum Magnus-Effekt – die tatsächliche Umströmung eines Profils durch Überlagerung zweier einfachere Umströmungen ausdrückt.

    Dieses Modell hat physikalisch aber zwei Haken:

    (a) Es gibt keine widerstandsfreie Umströmung eines Profils; jeder Querschnitt zwingt die Luft, die Richtung zu ändern; daraus resultiert immer ein Widerstand, unabhängig davon, ob es einen Auftrieb oder Abtrieb oder gar nichts gibt.

    (b) Eine Zirkulation um das Profil herum würde bedeuten, dass Luftmoleküle von der Hinterkante ausgehend entgegen der Flugrichtung das Profil umkreisen. Dazu müssten sie entgegen der Flugrichtung auf mindestens die Fluggeschwindigkeit beschleunigen. Und das kann nicht sein.

    Bei der Zirkulation handelt es sich wirklich nur um eine mathematische Konstruktion (ein Mittel zum Zweck), die korrekte Werte für den Auftrieb berechnet. Und weil diese Methode mathematisch so genial einfach ist, wird sie auch verwendet.

    Die wesentliche Erkenntnis aus der Auftriebsberechnung ist, dass es keinen Auftrieb ohne Widerstand geben kann: Der Widerstand ist proportional zum Auftrieb cw ~ cα

  19. #20 Jörg
    09/22/2010

    Mensch, ist eigentlich so schwer zu verstehen dass eine einfache Erklärung eines Effektes richtig sein kann auch wenn die Realität komplizierter ist?

    Im übrigen ist das

    Eine Zirkulation um das Profil herum würde bedeuten, dass Luftmoleküle von der Hinterkante ausgehend entgegen der Flugrichtung das Profil umkreisen. Dazu müssten sie entgegen der Flugrichtung auf mindestens die Fluggeschwindigkeit beschleunigen. Und das kann nicht sein.

    Quatsch.

    Wie schon zweimal geschrieben, die Zirkulationsströmung ist die Differenz aus Strömung mit und ohne Auftrieb. Da muss doch kein Luftpartikel für rückwärts strömen…

  20. #21 Jörg Friedrich
    09/22/2010

    @BreitSide: “Ein Beispiel für den mächtigen Effekt der reinen Schrägstellung sind Schiffsruder. Die funktionieren auch ausnahmslos durch die Schrägstellung.”

    Das ist richtig. Und es gibt auch Flugzeuge deren Flugeigenschaften (fast) ausschließlich auf diesem Effekt beruhen. Horizontaler Schub und Höhenrudereinstellung führen zum Steigen – auch bei ganz flachen Tragflächenprofilen.

    Ich kann nur nochmal empfehlen, sich einen Papierflieger zu bauen. Nicht umsonst haben die einfachsten Papierflieger Ähnlichkeit mit der Concorde – und die fliegen sicher nicht Überschall

  21. #22 Jörg Friedrich
    09/22/2010

    @Jörg Rings: “Mensch, ist eigentlich so schwer zu verstehen dass eine einfache Erklärung eines Effektes richtig sein kann auch wenn die Realität komplizierter ist?”

    Da haben Sie natürlich völlig Recht. Aber es schadet ja auch nicht, auf die Grenzen der Erklärung hinzuweisen, sowie auf die Tatsache, dass es für andere Situationen andere Erklärungen gibt.

  22. #23 Jörg
    09/22/2010

    @Jörg Friedrich: Nur einmalig und zur Klarstellung: Ich diskutiere nicht mit Ihnen, es ist mir gleichgültig, ob Sie meine Kommentare verstehen, und ich werde auch weiterhin nicht auf Ihre Fragen eingehen.

  23. #24 Karl Mistelberger
    09/23/2010

    Mensch, ist eigentlich so schwer zu verstehen dass eine einfache Erklärung eines Effektes richtig sein kann auch wenn die Realität komplizierter ist?

    Da habe ich meine Zweifel, ob es sich tatsächlich so verhält, denn einerseits wird diese Abbildung als gute Darstellung der Realität angepriesen: http://erlebnis-wissen.lufthansa.com/typo3temp/pics/10cd70bcbe.jpg

    andererseits kann man nachlesen: The flow of air in response to the presence of the airfoil can be treated as the superposition of a translational flow and a rotational flow. It is, however, incorrect to think that there is a vortex like a tornado encircling the cylinder or the wing of an airplane in flight. It is the integral’s path that encircles the cylinder, not a vortex of air ( http://en.wikipedia.org/wiki/Kutta–Joukowski_theorem ).

    Ich fürchte, da hat einer noch etwas Nachholbedarf und sollte sein Wissen über die Umströmung einer Tragfläche vertiefen, z.B. anhand der “Strömung trockenen Wassers”, wie Feynman seine Vorlesung über das Thema genannt hat.

  24. #25 BreitSide
    09/23/2010

    Jörg·
    22.09.10 · 22:23 Uhr

    @Jörg Friedrich: Nur einmalig und zur Klarstellung: Ich diskutiere nicht mit Ihnen, es ist mir gleichgültig, ob Sie meine Kommentare verstehen, und ich werde auch weiterhin nicht auf Ihre Fragen eingehen.

    Och, kommt doch mal beide her und gebt Euch brav die Hand – duckundwech….

  25. #26 Gunnar Innerhofer
    09/24/2010

    oje oje,

    meine lieben Gscheidis, ein Flugzeug fliegt, weil die Luft was wiegt, ok?
    Staudruck ist gleich Kraft, ende. Speed macht Kraft und in Summe ist das Ganze im wesentlichen einfache Vektorrechnung.

    Um noch ein wenig gehässiger zu sein:
    ich möchte gerne mal Jörg sehen, wenn er beim Startvorgang wartet, bis “seine” Kräfte wirken. 10 facher Überschall, wenn nicht…ewige Startbahn…
    Da freut man sich kurz, wenn Laien nicht mehr zum Klima schreiben probieren und dann kommen sie mit so einem Quatsch daher. Naja, einige sind halt nur Streber und kapieren die einfachsten Dinge nicht, bravo Jörg, down under…

    Falls ich es noch nicht getan habe, bist du hiermit rausgeworfen. Ich hab keinen Bedarf an Dummtrollen…

  26. #27 BreitSide
    09/25/2010

    Die Zirkulationsströmung ist mE nur ein Ergebnis der Asymmetrie, die ein Profil eigentlich gar nicht braucht.

    Die Asymmetrie, die den Bernoulli-Effekt erzeugt, ist eben nicht der wesentliche Teil des Auftriebs. Der Bernoulli-Effekt existiert, wie das beliebte Postkartenexperiment zeigt. Der Effekt der schräg gestellten Platte ist aber höher.

    Praktisch kann das jeder aus dem offenen Seitenfenster nachvollziehen. Bitte erst einmal mit der Hand! Oder bei geringer Geschwindigkeit! Sonst sind Lackschäden vorprogrammiert. Oder eine kaputte Scheibe des Hintermannes (oder der Hinterfrau, Gruß an Martin Bäker:-)).

    Eine schräg gestellte Hand im Fahrtwind reagiert sofort, eine gewölbte Hand macht fast keinen Effekt.

    Das ist natürlich keinerlei Beweis, aber tomtom kann ja eine Versuchsserie aufziehen. Mit Brettern und Styroporprofilen. Und Zugkraftmessungen horizontal und vertikal. Oder im www nach Ähnlichem suchen.

    Karl: ich hatte auch ein paar Bilder reingestellt. Die zeigen deutlich, dass das “Umbiegen” der Strömung, also das Beschleunigen derselben nach unten, völlig ausreicht. Bernoulli, also der “Saugdruck” (was für ein Wort…), gibt nur noch einen drauf. Und die Krümmung der Tragfläche macht einfach das “Umbiegen” leichter. Strömungen mögen keine Kanten.

    Ein weiterer Hinweis sind die Flügel von Vögeln. Die sind im Querschnitt total dünn, außer der Vorderkante, die ja auch mechanisch stabiler sein muss. Wäre ein dicker Flügel so viel effektiver, hätte “die Evolution” einen Weg gefunden, die Flügel entsprechend aufzuplustern.

    Aber auch Fische, Wale und Pinguine haben keine dicken Flügelprofile. Bei ihnen würde Gewicht ja keine Rolle spielen.

    Insofern bezweifle ich weiterhin die Beurteilung “sehr falsch” im Eingangspost für die mE stärkste Wirkung. Ok, ich sprach von “Umbiegen” statt von “Reflektieren”, aber ich glaube nicht, dass das den Unterschied macht.

  27. #28 rmw
    09/26/2010

    Eingemaßen zuverlässige Aussagenn sind wohl nur aus Wingkanalaufnahmen wie hier http://www.ultraleichtflugschule.de/auftrieb.html oder hier http://www.planet-schule.de/warum/fliegen/themenseiten/t6/s2.html zu gewinnen. Letzere haben auch noch einen netten “Versuch”
    Wenn man http://www.flugtheorie.de/AUFTRIEB.HTM (Die falschen Theorien des Fliegens) bzw. der NASA glauben darf entsprechen die restliche Theorien wenig der Realität.

  28. #29 BreitSide
    09/26/2010

    @rmw: Dein erster Link hat mir nicht viel gebracht, aber der zweite:

    Festgestellt wurde, dass der Auftrieb bis zu einem Anstellwinkel von 15 Grad nahezu linear zunimmt (siehe PDF des Instituts für Aerodynamik und Gasdynamik, Universität Stuttgart).

    Offensichtlich wieder nix mit Bernoulli (oder ganz wenig). Die gezeigten Profile waren auch nicht besonders unsymmetrisch, um verschiedene Geschwindigkeiten erzeugen zu können.

    Auch die Landeklappen wirken ja nur mit Newton, also einem noch weiteren “Umbiegen” der Strömung. Viel Auftrieb mit allerdings auch viel Widerstand. Deshalb ja auch nur zum Landen (und Starten?) benutzt.

    Das mit der Hummel im dritten Link ist insofern richtig (“falsche Theorie”), als jemand die Formeln für starre Flügel auf die Hummel mit ihren beweglichen Flügeln angewandt hatte. Mit dem so bekannten Effekt, dass ein Mensch mit seinem Fehlgriff eine ganze Branche in Misskredit gebracht hat, nämlich gleich “die Wissenschaft” als Ganzes, nicht nur die Aeronautik (oder so), ein winziger Bereich der Strömungslehre, die eh ein so kompliziertes Gebiet ist, dass sie bei uns die höchste Durchfallquote hatte (noch höher als die Mensa).

    Ein schönes Zitat aus jenem dritten Link (nach dem Klick “falsche Theorien”):

    Ein Objekt schwerer als Luft kann fliegen, weil es Luftmasse nach unten stößt.

    Früher fand ich es immer faszinierend, wenn jemand eine altbekannte Theorie einfach auf den Kopf gestellt hat (Karl der Große, Kolumbus entdeckte Amerika…). Dann hatte ich aber zu oft erleben müssen, dass die wortreich und glänzend vorgetragene “Revulution” doch nur Käse war.

    Der entsprechende Artikel aus “Was Einstein seinem Frisör erzählte” hatte mich auch gleich elektrisiert. Aber ich konnte kein Fehl an ihm finden. Ud jetzt weiß ich auch, dass ich richtig lag. Der Link “Flugtheorie.de” hat das besser erklärt, als ich es je könnte (kein Wunder bei der zwar nicht verhauenen, aber zäh durchgequälten Strömungslehre-Klausur).

    Immer interessant, wie hochkarätige Leute jahrzehntelang sehr erfolgreich(!) arbeiten, obwohl sie die komplett falsche Theorie zugrunde legen. Wie mein Spezialheizungsmontör, der mir erzählte, dass bei einem Brennwertkessel das Wasser ein zweites Mal verbrannt wird. Blödsinn, aber er hat ihn super gut eingebaut und zum Laufen gebracht…

  29. #30 Karl Mistelberger
    09/26/2010

    Karl: ich hatte auch ein paar Bilder reingestellt. Die zeigen deutlich, dass das “Umbiegen” der Strömung, also das Beschleunigen derselben nach unten, völlig ausreicht. Bernoulli, also der “Saugdruck” (was für ein Wort…), gibt nur noch einen drauf. Und die Krümmung der Tragfläche macht einfach das “Umbiegen” leichter. Strömungen mögen keine Kanten.

    Ich bin da nicht so sicher:

    – Wirbelfreie Strömungen eines nichtviskosen Fluids in der Ebene: http://www.diam.unige.it/~irro/lecture_d.html

    – Airfoils and Airflow: http://www.av8n.com/how/htm/airfoils.html

  30. #31 BreitSide
    09/26/2010

    Karl, wie oben schon ausgeführt, würde das Bild mit einer Platte statt eines dicken Flügelprofils fast genauso aussehen.

    Der Verlauf der Teilchen zeigt deutlich, dass der schräg gestellte Flügel das Wesentliche ist. Nicht vergessen: der Auftrieb hängt fast linear mit dem Anstellwinkel zusammen (was mir auch neu war).

    Und wenn Du jetzt die Stromlinien am rechten und linken Ende des Bildes siehst, erkennst Du auch leicht, wie sich der vertikale Vektor von “nach oben” zu “nach unten” entwickelt. Die Kraft, die dafür verantwortlich ist, drückt auch den Flügel nach oben.

    So kann man auch leicht erkennen, wie der Bodeneffekt zustande kommt. Wenn die Stromlinien nämlich nicht mehr nach unten gedrückt werden können.

    Und auch nicht vergessen: Propeller , Schiffsschrauben, Ruder, Rotoren etc sind auch fast brettförmig bzw. funktionieren auch vollkommen ohne Profil nur über den Anstellwinkel. Bernoulli und die Wirbel sind nur Beiprodukte zur Optimierung.

  31. #32 BreitSide
    09/27/2010

    Zu der “bullet fallacy” in Deinem Link: das ist mE ein Strohmann. Es spricht ja mW keiner von “Reflexion” am Flügel. Die “bullets” oberhalb des Profils können ja aufgrund des Luftdrucks nicht einfach “abhauen”, sondern müssen der Flügellinie folgen. Also nach unten. Und das eben drückt den Flügel nach oben.

    Und unterhalb des Profils wird die Strömung halt ganz einfach nach unten “abgebogen”. Da gibt es keine Verständnisprobleme.

  32. #33 Karl Mistelberger
    09/27/2010

    > Der Verlauf der Teilchen zeigt deutlich, dass der schräg gestellte Flügel das Wesentliche ist. Nicht vergessen: der Auftrieb hängt fast linear mit dem Anstellwinkel zusammen (was mir auch neu war). … Und auch nicht vergessen: Propeller , Schiffsschrauben, Ruder, Rotoren etc sind auch fast brettförmig bzw. funktionieren auch vollkommen ohne Profil nur über den Anstellwinkel. Bernoulli und die Wirbel sind nur Beiprodukte zur Optimierung.

    John S. Denker hat in “See How It Flies” alle Aspekte des praktischen Fliegens erläutert und so weit für das Verständnis erforderlich ziemlich gründlich theoretisch untermauert. In Abschnitt 3.14 fasst er zusammen:

    Consistent (Not Cumulative) Laws of Physics

    We have seen that several physical principles are involved in producing lift. Each of the following statements is correct as far as it goes:

    The wing produces lift “because” it is flying at an angle of attack.

    The wing produces lift “because” of circulation.

    The wing produces lift “because” of Bernoulli’s principle.

    The wing produces lift “because” of Newton’s law of action and reaction.

    We now examine the relationship between these physical principles. Do we get a little bit of lift because of Bernoulli, and a little bit more because of Newton? No, the laws of physics are not cumulative in this way.

    There is only one lift-producing process. Each of the explanations itemized above concentrates on a different aspect of this one process. The wing produces circulation in proportion to its angle of attack (and its airspeed). This circulation means the air above the wing is moving faster. This in turn produces low pressure in accordance with Bernoulli’s principle. The low pressure pulls up on the wing and pulls down on the air in accordance with all of Newton’s laws.

    > Zu der “bullet fallacy” in Deinem Link: das ist mE ein Strohmann. Es spricht ja mW keiner von “Reflexion” am Flügel.

    Was gesagt werden kann wird auch von irgend jemandem gesagt: http://www.scienceblogs.de/primaklima/2010/09/svensmarks-wolkenhypothese-bestatigt-bis-aufs-vorzeichen.php#comment143683

  33. #34 Gunnar Innerhofer
    09/28/2010

    Jörg
    sie sind ein Trottel, sie verstehen sich mal Newton und schreiben über Sachen, die sie nicht im Geringsten verstanden haben.
    Löschen sie einfach weiter, was ihnen nicht gefällt, sie machen sich selbst damit nur noch lächerlicher, als sie es bereits sind, sie erbärmlicher Streber ohen Muse und Verstand, was für ein erbärmliches Arschloch sie auch sind, sie wissen es noch nicht.
    Good night, asshole