Jahresarbeit der 12. Klasse 2008

Freie Waldorfschule WerraMeißner

Danny Gries

Aerodynamik

Warum fliegt ein Flugzeug?

Grundlage
Geschichte
Entwicklung

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Inhalt

Einleitung

1.1 Was ist Aerodynamik?

1.2 Wie ist ein Flugzeug Aufgebaut?

1.3 Warum erzeugt ein Flügel Auftrieb?

1.4 Was ist der relative Wind?

1.5 Was ist der Anstellwinkel?

1.6 Welche Kräfte halten ein Flugzeug in der Luft?

1.7 Was treibt ein Flugzeug an?

1.8 Was bremst ein Flugzeug?

1.9 Der BernoulliEffekt

1.10 Wie steuert ein Flugzeug?

1.11 Was waren die Vorbilder der Flugzeuge? Aerodynamik und Bionik

2 Erste aerodynamische Kenntnisse und erste Flugversuche

3 Was ist die perfekte Flügelform?

Quellen

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Einleitung

Der Traum vom fliegen, sich wie ein Vogel in die Lüfte erheben ist einer der älteste Träume der

Menschheit. Seit es Vögel gab, gab es Menschen, die an den Himmel schauten und sich fragten

wie dies möglich sei und der Wunsch kam auf selbst einmal mit ihnen dort Oben zu fliegen.

Doch seitdem sich die Menschen diese Frage stellten, gab es auch Pioniere unter Ihnen, die sich

diesen Traumes etwas mehr annahmen als die Anderen, die nur davon träumten. Sie

beobachteten die Vögel und die Weise wie sie flogen, um sich selbst dem Himmel etwas näher

zu bringen, daraus sammelten sie genug Erkenntnisse, um daraus eine Wissenschaft zu machen

­ Die Aerodynamik. Sie ist der Grundstein für die gesamte Luftfahrt, obgleich ein Vogel, ein

Papierflugzeug oder ein hundert Tonnen schweres Passagierflugzeug, sie alle fliegen nach

aerodynamischen Gesetzten. Ich nahm mir dieses Thema an, weil ich selbst einer dieser

Menschen bin der je zum Himmel blickte und davon fazsiniert war, wenn etwas vorbei flog, sei

es ein Flugzeug oder ein Vogel gewesen.

Der Ursprung der Fliegerrei könnte dabei wesentlich länger zurückliegen als je angenommen.

Sind beispielsweise die Pharaonen bereits vor tausenden von Jahren geflogen oder hatten

wenigstens fliegerisches Wissen? Die Antwort darauf sowie die auf die Frage warum ein

Flugzeug fliegt, die Geschichte wie es flog und wie es sich im Laufe der Zeit entwickelte und

weiterentwickelte werde ich hier beantworten und dies so einfach wie möglich doch zugleich so

wissenschaftlich wie möglich. Eins vorweg: Wer zur Erklärung der obigen Fragen nach rein

mathematische Formeln sucht, sucht vergebens, ich werde sie dagegen einfach gefasst

verständlich für Jeden erklären, vorallem um dieses relativ komplexe Thema zu vereinfachen.

Sieht man ein großes Passagierflugzeug am Boden eines Flughafens, so nimmt man ihm sein

Gewicht wohl ab, doch hebt es ab will man es ihm kaum noch ansehen. An diesem

wahrgewordenen Traum der Menschheit sind viele Kräfte beteiligt, aber sie alle führen direkt in

die Welt der Luftströme, Wirbel, Auftriebe, Wiederstände und viele mehr oder kurz

ausgedrückt die Aerodynamik.

Das Wort Aerodynamik stammt aus dem griechischen und bedeutet so viel wie ,,Luftformen"

oder ,,Luftbiegen", mehr tut ein Flügel mit der Luft auch im Grunde nicht, er schneidet die Luft

in zwei Luftströme, wölbt den Einen mehr als den Anderen, woraus ein Druckunterschied

entsteht, der dann schließlich einem Flugzeug die Fähigkeit des fliegens verleiht.

1.Grundlagen der Aerodynamik

1.1 Was ist Aerodynamik?

Ein Flugzeug von hunderte Tonnen Gewicht hebt scheinbar mühelos ab, sodass man ihm sein

Gewicht kaum noch anzusehen möchte. An diesem wahrgewordenen Traum der Menschheit ­

der Traum des Fliegens ­ sind viele Kräfte beteiligt, doch sie alle führen in die Welt der

Luftströme, Wirbel, Auftriebe, Widerstände und die der vier wichtigsten Kräfte, die ein Flugzeug

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in der Luft halten, oder kurz ausgedrückt ­ die Aerodynamik. Die Aerodynamik ist Teil der

Strömungslehre oder auch Fluiddynamik, welche die Lehre des physikalischen Verhaltens von

Fluiden ist. Unter Fluide versteht man sog. Medien wie z. B. Gase oder Flüssigkeiten. Das Wort

Aerodynamik stammt aus dem griechischen und bedeutet so viel wie ,,Luftformen" oder

,,Luftbiegen", mehr tut ein Flügel mit der Luft auch im Grunde nicht, er schneidet die Luft in

zwei Luftströme, wölbt den Einen mehr als den Anderen, woraus ein Druckunterschied

entsteht, der dann schließlich das Wunder des Fliegens bewirkt. Aerodynamik hat viele

Einsatzgebiete wie z. B. die Automobilindustrie, die durch Hilfe der Aerodynamik ihre Autos

Stromlinienförmiger machen kann, was zu einem geringeren Luftwiderstand führt, der

wiederum zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Die Lehre der Aerodynamik beschränkt

sich aber nicht nur auf Strömungsverhalten von Luft und das erforschen von dem Verhalten von

Gegenstände in Luftströmungen, sondern auch auf das strömungsverhalten von Wasser, das

natürlich ebenfalls ein Fluid ist. Bei diesem Bereich kommt die Aerodynamik b.z.w. die

Fluiddynamik hauptsächlich dem erforschen der perfekten Rumpform eines Schiffes zu

Gunsten. Dabei zeigt Wasser ein ähnliches Strömungsverhalten wie Luft. Die Fortbewegungsart

die es ohne Aerodynamik überhaupt nicht geben würde ist ohne Zweifel die Luftfahrt. Es

erforderte lange Entwicklungszeit bevor sich das erste Luftfahrzeug überhaupt in die Lüfte

erheben konnte. Denn im Gegensatz zu der Schifffahrt und Automobilen ist die Funktionsweise

eines Flugzeug wesentlich komplexer, denn es muss leichter als Luft sein um fliegen zu können,

dies setzte allerdings ausgereiftes Wissen voraus wie man die Schwerkraft überlisten könnte,

was nur funktioniert, wenn ein Flügel Auftrieb erzeugt. Ich werde mich in dieser Arbeit auf die

Aerodynamik der Luftfahrt und somit das Stömungsverhalten der Luft beschränken, auch um

dieses komplexe Thema etwas verständlicher zu machen.

1.2. Wie ist ein Flugzeug aufgebaut? Und Warum ist es so aufgebaut?

Rumpf, Trag, Leit, Steuer und Fahrwerk sind die wichtigsten Bauteile eines Flugzeugs.

Das Tragwerk besteht aus Flügeln, Vorflügeln und Landeklappen. Die Flügel erzeugen den

Auftrieb. Ihre beweglichen Teile verbessern die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs.

An der Hinterseite und der Oberfläche der Flügel haben Querruder die Funktion von

Steuerflächen. Vorflügel und Klappen funktionieren als Auftriebshilfen.

Die heute üblichen lang gestreckten und tropfenähnlichen Tragflächenprofile gehen maßgeblich

auf Erkenntnisse Otto Lilienthals zurück. Heute vermindern Winglets Anbauten an der

Flügelspitze die Bildung von Luftwirbeln und reduzieren dadurch den Energieverbrauch.

Das Leitwerk stabilisiert und kontrolliert die Bewegungen des Flugzeugs im Luftraum. Höhen

und Seitenleitwerk sind am Heck angebracht. Ihr fester und beweglicher Bauteil, Flosse und

Ruder sowie das Querruder an den Tragflächen, halten das Flugzeug auf Kurs.

Mit dem Seitenleitwerk ändert der Pilot die Richtungsstabilität, also seine Fähigkeit, den Kurs

beizubehalten, und die Flugrichtung des Flugzeugs. Das Seitenruder an der senkrechten

Seitenflosse beeinflusst die Drehung des Flugzeugs nach rechts oder links.

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Das Höhenleitwerk besteht aus zwei kleinen, waagerechten Flügeln, die Experten auch als

Stabilizer bezeichnen. Im Gegensatz zu den Tragflächen sind sie nach unten gewölbt und

erzeugen also Abtrieb, das Gegenteil des Auftriebs. Mit den Rudern am Höhenleitwerk steuert

der Pilot den Sink und Steigflug.

1.3 Warum erzeugt ein Flügel Auftrieb?

Das Element eines Flugzeugs ,das es überhaupt in der Luft hält ist der Flügel. Die

Funktionsweise eines Flügels in Relation zu der Luft, die ihn umgibt kann man mit der eines

Messers vergleichen ­ der Flügel schneidet die Luft. Er schneidet den Luftstrom b.z.w. den

Fahrtwind während der Vorwärtsbewegung, dabei strömt ein Teil des Luftstroms über die

Oberseite des Flügels hinweg und der Andere an der Unterseite entlang. Ein Flügel hat eine

bestimmte Form, die dies erst ermöglicht (Bild 1).

Erst diese bestimmte Form erlaubt es dem Flügel Auftrieb zu erzeugen, wodurch ein Flugzeug

fliegen kann.

Die Grundform eines jeden Flügels ist immer gleich, ob es ein Flügel eines Vogels ist oder einer

eines großen Passagierflugzeugs, die Grundform ist immer gleich. Bis auf den Flügel eines

Vogels ist jeder von Menschen gemachte Flügel in mehrere Teile unterteilt (siehe Bild 1). Er

besteht aus der Flügelobersite, der Flügelunterseite und der Flügelvorderkannte und

Hinterkannte, die durch die Profilsehne verbunden sind. Diese ist eine imaginäre Linie, die

zwischen der Flügelvorderkannte und der Flügelhinterkannte gespannt ist. Es gibt noch weitere

und vor allem komplexere Teile eines Flügels, aber dazu später mehr. Das Profil eines jeden

Flügel macht erkennbar, dass die Oberseite immer stärker gewölbt ist als die Unterseite, die so

gut wie überhaupt nicht gewölbt ist. Weil die Oberseite nun eine stärkere Wölbung aufweist,

muss der Luftstrom oberhalb des Flügels einen längeren Weg zurücklegen als der der unter

dem Flügel entlang fließt. Dennoch ist der obere Luftstrom nicht nur gleichschnell wie der

untere Luftstrom, sondern wesentlich schneller (siehe Bild 3). Dieses Phänomen wird als der

BenoulliEffekt bezeichnet.

Der BenullieEffekt besagt: Umso schneller ein Luftstrom über eine beliebige Oberfläche fließt,

desto geringer ist der Luftdruck darüber b.z.w. Flügeloberfläche. Weil aber der Luftdruck an der

Flügelunterseite durch die langsamere Strömung höher ist, entsteht ein, in Relation zu dem

Druck der Flügeloberseite, ein höherer Druck. Daraus entsteht ein Druckunterschied. Genau

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dieser Druckunterschied bewirkt den Auftrieb eines Flügels. Weil Tiefdruckluftmassen immer

von Hochdruckluftmassen angezogen werden, entsteht ein

Aufwärtzog, der den Flügel, der sich genau zwischen den

beiden Luftströmen befindet mit nach oben drückt(Bild 3).

Dies nennt man Druckauftrieb. Hierzu gibt es einen

einfachen Versuchsaufbau, um dies zu beweisen: Nimmt

man ein Blattpapier in seine beiden Hände, hält es genau vor

seinen Mund und bläst darüber, so wird sich das Blatt nach

Oben bewegen(siehe Bild 2).

Bild 2: Versuch zu

Bernoulli

Bild 3:
Luftströmung
und Bernoulli
Effekt

Der Druckauftrieb ist ein Teil des Gesamtauftriebs der es einem Flugzeug ermöglicht zu fliegen,

er hält den größeren Anteil daran ein Flugzeug zum fliegen zu bringen.

Den kleineren, aber auch wichtigen Anteil des Gesamtauftriebs ein Flugzeug in die Lüfte zu

heben macht der sog. Stoßauftrieb aus. Zeuge dieses Auftriebs wird jeder der seine Hand aus

dem Fenster eines fahrendes Auto hält (siehe Bild 4). Er entsteht vorallem bei großen

Anstellwinkeln (Winkel der Profilszene des Flügels zur Richtung der anströmemden Luft) des

Flügels z.B. wie beim Start eines Flugzeugs. Bei diesen großen Anstellwinkeln bietet der Flügel

dem relativen Wind (Fahrtwind) eine große Angriffsfläche. Der anströmende Luftstrom prallt

nun gegen die Flügelunterseite, da diese genau in die Windrichtung zeigt. Er drückt gegen die

Flügelunterseite und übt Druck aus. Sir Isaac Newton endeckte, dass jede Aktion eine

Gegenreaktion nach sich zieht. Dieses Gesetz läst sich einfach auf diese Art von Auftrieb

übertragen. Die gegenreaktion ist in diesem Fall die Bewegung des Flügels nach Oben. Diese Art

des Auftriebs kommt dem Flugzeug vorallem während des Startvorgangs zu gunsten, wenn das

Flugzeug in einen Starken Anstellwinkel übergeht. Ansonstens wird dieser Teil des

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Gesamtauftriebs nur bei geringen Geschwindigkeiten des Flugzeugs erzeugt, nachdem der

Druckauftrieb aufgrund der geringen Geschwindigkeit nicht genügend Auftrieb erzeugen kann,

weshalb ein höherer Anstellwinkel benötigt wird um genügend Auftrieb zu erzeugen.

1.) Der Luftstrom, der auf die

Flügelunterseite (oder Handunterseite) trifft

erzeugt Einschlagenergie.

2.) Die Einschlagenergie überträgt sich auf

den Flügel (oder Hand) und hebt ihn

entgegengesetzt der Windrichtung an.

Bild 4: Stoßauftrieb

1.4. Was ist der relative Wind ?

Der relative Wind ist nichts anderes als der Fahrtwind, der während der Vorwärtsbewegung des

Flugzeugs entsteht. Der relative Wind ist die Kraft die einem Flügel den Auftrieb verschaft, der

wiederum dem Flugzeug zum Fliegen verhilft. Der relative Wind oder Fahrtwind entsteht bei

der Bewegung, er hat immer die selbe Geschwindigkeit des Flugzeugs und er bläst immer

entgegengesetzt der Bewegungsrichtung, dabei umfließt er den Flügel oder stößt gegen die

Flügelunterseite, wobei die zwei Arten des Auftriebs entstehen. Die Geschwindigkeit des

relativen Winds bestimmt die Geschwindigkeit eines jeden Flugzeugs, nicht die Gschwindigkeit,

die es überGrund zurücklegt, sondern die Geschwindigkeit des Fahrtwindes. Wenn es z.B.

Windstill ist, so ist die Geschwindigkeit über Grund die selbe des Fahrtwindes und somit die des

Flugzeugs in der Luft. Bläst z.B. dagegen ein Gegenwind von entgegengesetzt der Flugrichtung,

so ist eine geringere Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs notwendig, um genügend Fahrtwind

zu erzeugen den ein Flügel braucht um Auftrieb zu erzeugen, denn der natürliche Wind ergänzt

diese Geschwingigkeit. Dies führt zu einer geringeren Geschwindigkeit über Grund.

1.5. Was ist der Anstellwinkel ?

Der Anstellwinkel bezeichnet den Winkel zwischen der Profilszene, die die eigentliche Grund

konfiguration eines Flügels repräsentiert und der Windrichtung b.z.w. der Richtung des

relativen Winds ( Fahrtwind ). Der Anstellwinkel ist ein wichtiger Faktor in der Welt der

Aerodynamik und der Luftfahrt. In der Regel gilt: Desto größer der Anstellwinkel, desto größer

der Gesamtauftrieb. Alledings steigt damit auch der Gesamtluftwiderstand, also ist es nötig ein

ausgewogenes Gleichgewicht zu finden. Steigt der Anstellwinkel eines Flügels, so wird die von

der Flügelform vorgegebene Wölbung des Luftstroms verstärkt, weil der Flügel je nach

Anstellwinkel eine höhere Wölbung des Luftstroms verursacht wird.

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Der Anstellwinkel, der zum Auftrieb unerlässlich ist, ist umgekehrt proportional zum Quadrat

der Fluggeschwingigkeit , da eine höhere Geschwindigkeit im selben Zeitraum mehr Luftmasse

ablenkt wird und der Betrag der vertikalen Beschleunigung ebenfals steigt, genügt ein

geringerer Anstellwinkel zur Erzeugung desselben Auftriebs. Umgekehrt muss der Anstellwinkel

umso mehr erhöht werden, je lansamer das Flugzeug fliegt( siehe Bild 5 und 6 ).

Bild 5: Hohe Geschwindigkeit beteutet

mehr Auftrieb in der selben

Zeit ; es genügt ein geringer

Anstellwinkel führ den selben

Auftrieb

Bild 6: Geringe Geschwindigkeit

Bedeutet weniger Auftrieb

In der selben Zeit ; es ist ein

Hoher Anstellwinkel notwendig

Um den selben Auftrieb zu

erreichen

Der Anstellwinkel kann aber auch dazu führen, dass ein Flugzeug in mitten der Luft einfach

aufhöhrt zu fliegen. Fliegen bedeutet in diesem Fall nichts anders als, dass der Flügel von einem

konstantem Luftstrom umfloßen wird. Ist der Anstellwinkel zu groß kann ein Strömungsabriss

eintreten. Dieser kritische Winkel liegt durschnittlich bei 18° der Profilszene. Ein

Strömungsabriss kann bei jeder Lage und jeder Geschwindigkeit eintreten, ein Flügel muss nur

diesen Wert erreichen und der obere Luftstrom reißt ab. Dies geschiet, weil die Wölbung in die

der Flügel den Luftstrom bringt zu groß und steil ist als das der Luftstrom noch folgen könnte.

Der Luftstrom fließt nun nicht mehr gleichmäßig über die Flügeloberfläche, stattdessen

verwirbelt er. Dadurch wiederum fällt der Druckauftrieb weg, weil kein Luftstrom mehr effektiv

an der Flügeloberfläche entlang fließen kann. Gleichzeitig erhöht sich der Luftwiderstand b.z.w.

Formwiderstand dramatisch. Der Flügel erzeugt nun keinen Auftrieb mehr und höhrt auf zu

fliegen ( siehe Bild 7 ).

Neben den Kräften, die ein Flugzeug vom Himmel hohlen können gibt es

die Vier entscheidenden Kräfte

die es am Himmel halten.

Bild 7: Strömungsabriss

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1.6. Welche Kräfte halten ein Flugzeug in der Luft ?

Der Auftrieb ist eine Dieser Kräfte, die Andern sind Luftwiederstand, Schwerkraft und Vortrieb.

Schwerkraft

Vortrieb

Luftwiderstand Auftrieb

Auftrieb: Der Auftrieb ist die nach oben wirkinde Kraft. Sie entsteht während der sich Flügel
durch die Luft bewegt

Schwerkraft:

Die Schwerkraft ist die nach unten wirkende Kraft. Sie wirkt entgegengesezt des

Auftriebs.

Vortrieb:

Der Vortrieb ist die nach Vorne wirkende Kraft. Sie wird durch den Antrieb des

Flugzeugs erzeugt, wie z.B. den Propeller, der auch nichts Anderes ist als ein sich drehender

Flügel ist.

Luftwiderstand:

Der (Luft) Widerstand ist die nach Hinten wirkende Kraft. Sie wirkt

entgegengesezt des Vortriebs. Der Widerstand ist die natürliche reaktion auf den Vortrieb.

Wirken all diese Kräfte zusammen, halten sie ein Flugzeug, sei es ein Papierflugzeug, ein Vogel

oder ein Passagierflugzeug in der Luft. Die Aufgabe eines jeden Piloten ist es diese Kräfte zu

kontrolieren, steuert er es nimmt immer mindestens eine dieser Kräfte ab. Steigt z.B. ein

Flugzeug aus welchem Grund auch immer, so nimmt die Kraft der Schwerkraft ab, worauf der

Auftrieb es dann nach oben zieht. Sinkt es hingegen, so nimmt der Auftrieb ab und die

Schwerkraft zieht das Flugzeug nach unten. Beschleunigt es, so überwiegt die Kraft des

Vortriebs, umgekehrt wirkt der Luftwiderstand, wenn dieser größer ist als der Vortrieb bremst

dieser ein Flugzeug.

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1.7. Was treibt ein Flugzeug an?

Ein Flugzeug kann nicht mit den Flügeln schlagen, das braucht man nicht weiter zu erklären.

Keine beweglichen Flügel zu haben ist eine Eigenschaft, die ein Flugzeug nicht von den Vögeln

Geerbt hat. Dafür besitzt es aber etwas, dass kein Vogel hat. Quelle des Vortriebs eines

Flugzeuges ist, wie beim Auto auch ein Motor, dieser wird beim Flugzeug Triebwerk genannt

und kann auch ein Strahltriebwerk, wie eines an einem Verkerhrsflugzeug sein. Die Erklärung

eines Strahltriebwerks ist komplex und hat mit der Aerodynamik nicht mehr so viel zu tun, dass

man es erklären müsste, es sei nur soviel gesagt: Es treibt das Flugzeug mit dem Rückstoß

seines Abgasstrahls an. Ein Propeller hingegen funktioniert ähnlich einem Flügel. Der

Querschnitt eines Propellers lässt die Ähnlichkeit

zu dem eines Flügels erahnen. Er funktioniert

auch exakt auf die Selbe Weise, nur verleiht er

dem Flugzeug, an dem er befestigt ist keinen

Auftrieb, sondern Vortrieb. Während er sich

bewegt, funktioniert er wie ein Flügel und

erzeugt Auftrieb in Richtung der Flugrichtung. Er

teilt den Luftstrom, der entgegengesetzt der

Drehrichtung fließt, in zwei Lufströme, wobei

nach Bernoullis Gesetzt ein Druckunterschied

entseht, dessen Sog das Flugzeug voran treibt.

Umso schneller sich ein Propeller dreht, desto

mehr Vortrieb wird Erzeugt.

1.8. Was bremst ein Flugzeug ?

Weil laut Isaac Newton "Jede Aktion eine

Gegenrektion verursacht" Verursacht auch ein

Flugzeug diese Gegenreaktionen in Form von

Luftwiderstand, was der Oberbegriff für

verschiedene Arten von Wiederstand ist.

Induzierter Widerstand ist einer davon, er wird

vorallem bei geringen Geschwindigkeiten, die somit

große Anstellwinkel

mit sich ziehen

effektiv. Induzierter

Widerstand

entsteht als

Nebenprodukt des

Auftriebs. Der

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Gesamtauftrieb wirkt sich immer in einem 90° Winkel zur Flügelprofilszene aus und somit auch

zum relativen Wind. Weil aber der relative Wind durch den hohen Anstellwinkel des Flügels

stark nach unten abgelenkt wird, verlagert sich der Gesamtauftrieb ebenfals und wirkt nun

nach Hinten und nicht mehr nach Oben, was wiederum einen Widerstand nach sich zieht.

Dennoch verliert das Flugzeug aber nicht seinen gesamten Auftrieb, denn ein Teil des Auftriebs,

der sog. effektive Auftrieb wirkt sich immer unabhängig von Anstellwinkel parallel in die

entgegengesezte Richtung der Schwerkraft aus. Der Teil des Auftriebs der nach Hinten wirkt

wird dabei induzierter Widerstand genannt. Man konnte diesen Widerstand zwar durch

intensive Forschung verringern, wie z.B. durch sog. Winglets, aber komplett zu unterbinden ist

er nicht.

Die sog. Winglets sind, so wie vieles Andere eine Flugzeugs auch den Vögeln nacherfunden. Sie

sind an den beiden Flügelspitzen

angebracht und sparen

den Airlines viel Geld, weil sie den

induzierten Widerstand

und somit den Luftwiderstand veringern,

daduch benötigt das

Flugzeug weniger Energie, um die selbe

Geschwindigkeit zu

erreichen die es ohne Winglets nur mit

mehr Energie erreichen

konnte. Der andere wesentliche

Widerstand ist der

Reibungswiderstand. Dieser wird durch

die Oberfläche des

Flügels und Rumpfes verursacht, aber

auch durch Antennen,

sonstige Anbauten und die

Luftverdrängung des

Flugzeugs. Dieser Wiederstand verstärkt

sich desto größer die

Geschwindigkeit ist.

Winglets erhöhen die Streckung eines Tragflügels, ohne die Spannweite

zu vergrößern. Dies bringt Verbesserungen beim Bodenhandling, bei der

Stabilität um die Hochachse und weniger induzierten Widerstand bei

hohen Auftriebswerten.

Entlang eines Tragflügelprofils bilden sich im Allgemeinen Wirbel, da Luft

von der Unterseite der Tragflächen, wo Überdruck vorliegt, um die

Tragflächenenden herum nach oben fließt, wo Unterdruck herrscht. Die

Wirbel sind an der Flügelspitze am stärksten und rollen sich (je nach

Flugzustand) zu einem Randwirbel auf. Die Wirbel induzieren am Ort des

Flügels eine Abwärtsgeschwindigkeit, wodurch der induzierte

Luftwiderstand entsteht. Winglets reduzieren nun den Einfluss dieser

Wirbel, indem sie den Randwirbel zerteilen (ein Teil geht am Flügel

WingletÜbergang ab, ein Teil an der Wingletspitze) und durch ihre

Profilgebung nach außen ablenken.

Die Gesamtstärke der Wirbel bleibt
dabei gleich.

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1.9. Der BernoulliEffekt

Der BernoulliEffekt ist grundlegend für das Verständniss des Fliegens. Daniel Bernoulli

Baute auf den Versuchen auf, die Giovani battista Venturi unternahm. Er fand heraus, dass

Flüssigkeit die durch ein Rohr fließt, dass an einer Stelle verengt ist an der engsten Stelle des

Rohres am schnellsten fließt.

Bernoulli baute auf diesem Gesetz auf, indem er haraus fand, dass in einem strömenden Fluid

(Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet ist. Dieses

Gesetz erklärt den Druckunterschied der einem Flügel den Auftrieb verleiht.

1.10. Wie steuert das Flugzeug in der Luft ?

Ein Flugzeug besitzt mehrere Bestandteile die es ihm ermöglicht sich um alle seine Achsen zu

bewegen. Diese funktionieren alle nach dem selben aerodynamischen Prinzip ­ dem gleichen,

dass erklärt warum ein Flügel Auftrieb erzeugt.

Die drei wichtigsten

Steuerelemente eines Flugzeugs:

1.) Die Querruder

2.) Das Seitenleitwerk

3.) Das Höhenruder

Gesteuert wird ein Flugzeug durch sog. Steuerflächen. Diese Steuerflächen sind bewegliche

Flächen an Flügeln oder Leitwerk, dass aus Höhen und Seitenruder besteht.

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Wie man in der linken Abbildung sieht spannt sich

die Profilsehne von der Flügelvorderkannte zur

Flügelhinterkannte. Weil sich aber die

Flügelhinterkannte nun durch das jeweige Ruder

bewegt, je nach Ruderausschlag, verlagert sich die

Flügelhinterkannte nach Oben oder nach Unten,

wodurch die Profilsehne auch verlagert wird.

Verlagert sich die Profilsehen nach Unten so

vergrößert sich gleichzeitig der Anstellwinkel der

Selben, der dabei erhöhte Stoßauftrieb bewirkt

einen Anstieg des Gesamtauftriebs des Flügels oder

der Leitwerksfläche in die Richtung entgegengesetzt

des Ausschlages der Steuerfläche.

Wie bei dem Auftriebs eines Flügel wirken auch auf

Steuerflächen wie Höhen Seiten und Querruder

zwei Arten von Auftrieb ein.

Neben dem eben beschriebenen Stoßauftrieb, der durch den Anstellwinkel erzeugt wird,

entsteht der Druckauftrieb durch die von der Steuerfläche verursachten, höheren Wölbung der

Flügeloberseite. Wie man in der Abbildung sehen kann ist die Oberseite des Flügels größer

Gewölbt, wenn die Steuerfläche oder das jeweige Ruder ausgeschlagen ist. Dies erzeugt

mehr Auftrieb, weil der obere Luftstrom einen noch längeren Weg zurücklegen muss als der

untere, wodurch sich der Unterdruck an der Oberseite noch verstärkt, dass widerum zu einem

größeren Sog führt, der den Flügel oder Leitwerk entgegengesetzt des Ruderausschlags bewegt.

Auf diese Weise funktionieren alle Steuerelemente eines Flugzeugs.

Die Drei Grundsteuerelemante, die jedes Flugzeug besitzen muss, um in alle Richtungen

manövrierfähig zu seien sind Höhen, Seiten und Querruder.

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Das Querruder ist für die Bewegung um die Längsachsen b.z.w. das Rollen zuständig, mit seiner

Hilfe kann das Flugzeug zur Seite neigen, wesswegen die Querruder für den Kurvenflug

essentiel sind. Sie bestehen immer aus einem Ruderpaar, die sich je an einer Flügelspitze eines

Flugzeuges befinden. Sie bewegen sich immer gegenläufig, dass heißt, bewegt sich das eine

Ruder nach Oben bewegt sich das Andere nach Unten. Genau dies bewirkt die Rollbewegung

bei betätigung dieser Ruder. Wenn z.B. das rechte Ruder nach Oben ausschlägt und somit das

linke nach Unten auschlägt, entsteht eine größere Wölbung der Flügeloberseite und ein

größerer Anstellwinkel des linken Flügels, woraus ein zusäztlich zum Gesamtauftrieb des Flügels

ein zusätzlicher Auftrieb resultiert. Auf der anderen Seite des Flügels geschieht zur gleichen Zeit

das Umgekerhte. Da das Rechte Ruder nach Oben ausschlägt vergrößert sich die Wölbung der

Flügelunterseite des rechten Flügels, daraus resultiret ein größerer, negativer Anstellwinkel.

Dies führt zu einem Auftrieb, der nach Unten wirkt. Jetzt, nachdem der Auftrieb des linken

Flügels ansteigt, gleichzeitig aber der des rechten Flügel abnimmt entsteht eine Rollbewegung

um die Längsachse des Flugzeugs (siehe Bild unten).

Auf die gleiche Weise funktioniert das Seitenruder und das Höhenruder. Das Seitenruder ist für

das sog. Gieren um die vertikale Achse zuständig, die horizentale Bewegung um die vertikale

Achse. Das Seitenruder befindet sich am Heck des Flugzeugs und ist als die vertikale Flosse

Bestandteil des Leitwerks.

Wenn das Ruder nach Links

ausschlägt, so wird der Luftstrom

durch die Steufläche abgelenkt,

worauf diese Aktion laut Isaac

Newtons Gestzt eine Gegenreaktion

nach sich zieht, die in einer

Linksbewegung der Flugzeugnase

resultiert. Doch neben diesem

Faktor wirkt auchs in diesem Fall die

Kraft des Druckauftriebs, der in

diesem Fall jedoch nicht nach Oben

oder Unten wirkt, sondern jeweils

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seitllich wirkt. Bei einem linken Ruderausschlag ist die Wölbung der rechten Seite der sog.

Seitenflosse vergrößert und ein niedriger Luftdruck an der Oberfläche der rechten Seite der

Seitenflosse ist die Folge. Dies wiederum führt zu einem Sog, der die Seitenflosse mitsamt des

Hecks des Flugzeugs nach Rechts und die Flugzeugnase nach Links zieht. Das umgekehrte

geschieht bei einem rechten Ausschlag des Seitenruders.

Das letzte Steuerelement, dass es zu beschreiben gilt ist das Höhenruder.

Das Höhenruder ist Teil des Leitwerks und befindet sich meistens unter der Seitenfloße. Das

Höhenruder macht es möglich, dass sich ein Flugzeug um seine Querachse bewehen kann. Ein

Flugzeug kann mit seiner Hilfe des steigen oder sinken. Die Steuerfläche des Höhenruders ist

nach Oben und Unten beweglich. Ist das Ruder nach Unten ausgeschlagen, so Ist die Wölbung

der Oberseite des Höhenruders größer und der dadurch enstehende veringerte Druck an der

Oberseite saugt das Höhenleitwerk nach Oben

mitsamt dem Heck des Flugzeugs, woraus das

gesamte Flugzeug in einen Sinkflug übergeht.

Umekehrt funtioniert dies während eines

Ruderausschlages nach Oben. Die Wölbung ist

nun an der Flügelunterseite größer und der

dadurch entesehende Underdruck zieht das Heck

des Flugzeugs nach Unten ­ Das Flugzeug geht in

den Steigflug über.

1.11. Was war das Vorbild der Flugzeuge? ­ Aerodynamik und Bionik

Seit jeher haben Menschen davon geträumt, wie Vögel fliegen zu können. Sie haben stets zum

Himmel aufgeblickt und sich gefragt wie es doch möglich sei, dass ein Vogel fliegen kann. Sie

erforschten die Grundlagen und wissen schließlich warum ein Vogel fliegt. Die ersten

Flugpioniere beobachteten den Vogelflug und verwendeten ihre Erkentnisse, um sich selbst

dem Himmel etwas näher zu bringen. Doch wer denkt dies hatten nur die Flugpioniere vor

hunderte Jahren nötig der täuscht. Auch heutzutage lassen sich die Wissenschaftler der

Aerodynamik und Flugzeugbauer von dem unglaublichem Einfalsreichtum der Natur inspirieren.

Vögel erzeugen den benötigten Vor und Auftrieb im Flug mit ihrem Körper durch ihre

Muskelkraft. Dem Menschen ist dies allerdings unmöglich, weil er durch seine Propotionen,

Gewicht und die benötigte Kraft, die Ihm fehlt nicht zum fliegen geschaffen ist. Einigen Vögel

macht dies auch Probleme, wie z.B. den schweren Vögeln wie Pelikan und

Schwan, diese schaffen es nicht so unbeschwert zu starten wie ihre kleineren Artgenossen. Zu

den einigen Tieren, die nicht fliegen können würde eigentlich auch die Hummel zählen wenn

sie nicht fliegen würde.

Das klingt paradox, doch nach Aerodynamischen Gesischtspunkten dürfte sie einfach unfähig

sein zu fliegen. Das ist ein gutes Beispiel dafür, dass doch noch nicht alle Geheimnisse der Natur

gelüftet sind.

Die Schlagbewegung, genauer gesagt: die Abwärtsbewegung seiner Flügel, ermöglicht einem

Vogel den Auftrieb. Die dazu benötigten starken Brustmuskeln machen mehr als 15 Prozent

seines Gewichts aus. Ein Flügelschlag drückt die Luft nach unten: Dadurch entsteht unter den

Flügeln ein höherer Druck als über ihnen. Der Vogel bekommt Auftrieb und kann vom Boden

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abheben.

Ähnlich wie bei Flugzeugen hängt der Vortrieb beim Vogelflug von der gewölbten Form der

Flügel ab. Der vorne abgerundete und nach hinten immer schmaler zulaufende Flügel eines

Vogels ist der Tragfläche eines Flugzeugs sehr ähnlich. Doch bekommt ein Vogel seinen Vortrieb

nicht von einer Vortriebsquelle wie einem Propeller oder einem Triebwerk, sondern rein durch

die Bewegungsabläufe der Flügel: Auf un Abwärts, Vor und Rückwärts.

Vögel, die ihre Flügel in einem ruhigen Segelflug bewegungslos ausbreiten, haben bei

angemessener Geschwindigkeit genügend Auftrieb, um sich in der Luft zu halten.

Wie bei einem Flugzeug stellt sich der Luftwiderstand dem Vortrieb entgegen. Die Form des

Flugkörpers und seine Geschwindigkeit beeinflussen den Luftwiderstand im entscheidenden

Maße.

Vögel als Energiesparrer? Ja, die effiziente Weise eines Vogels zu fliegen hat maßgeblichen

Einfluß auf die Entwicklung effizienter Flugzeuge genommen.

Geier, Adler, Falken, aber auch andere Vögel spreizen ihre Flügel enden beim Flug. Diese

Flügelform hilft ihnen, mit weniger Kraftaufwand zu fliegen, da an der Ober und Unterseite

eines Flügels unterschiedliche Druckverhältnisse herrschen, entstehen Luftströme, die von den

Hochdruckmassen, unterhalb des Flügels, um den Flügel herum zu der Flügeloberseite strömt.

Dabei entstehen Wirbel.

Um die dabei auftretenden Luftwirbel zu verringern, spreizen die Vögel ihre Handschwingen

auf. Die Flügelspitzen machen aus einem mächtigen Randwirbel viele kleine Wirbel. Das

schauten sich Flugzeugingenieure von der Natur ab und versahen die Tragflächen, der

Flugzeuge mit aerodynamischen Anbauten den Winglets. Ein System von mehrfachen Wirbeln

verbraucht nämlich weniger Energie als der einzelne Wirbel eines Flügels ohne Winglets.

Auch quer zu den Flügeln entstehen Wirbel. Fliegen Vögel oder Flugzeuge zu steil, dann können

diese Wirbel abreißen und zu einem Strömungsabriss führen. Vögel richten daher beim Fliegen

immer wieder ihr Deckgefieder auf. Auch das nahmen sich die Ingenieure zum Vorbild und aus

dem Deckgefieder der Vögel wurden die Landeklappen der Flugzeuge.

Doch schauten sich die Flugzeugingenieure nicht nur in Sachen Flügel in der Natur um. Nein, sie

wurden auch in der perfekten Rumpfform eines Flugzeugs fündig. Doch bildeten in diesem Fall

nicht nur Vögel, sondern auch Fische, Haie und Delphine, deren Hautoberfläche es ihnen

ermöglicht mit dem geringsten Widerstand durch das Wasser zu gleiten ein Vorbild. Das war

Ansporn genug das Prinzip der Fischhaut auf die Haut der Flugzeuge zu übertragen.

Haifischhaut ist genau so, wie eine Flugzeughaut eigentlich nach immer angenommener

aerodynamischen Standarts nicht sein sollte. Eine Flugzeughaut muss sehr klatt und eben sein,

dachte man immer, doch eine Haifischhaut ist nicht klatt ­ sie ist geschuppt und microfein

gerillt und doch gleitet ein Hai mit minimalem Widerstand durchs Wasser. Was im Wasser gilt,

gilt auch in der Luft, denn beide Medien sind Fluide. Diese microfein gerillte Oberfläche lässt die

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Strömung des Wassers, im Falle des Hais, oder die Luft ruhiger über die Öberfläche fließen. Die

vielen kleinen Rillen wirken wie Kanäle, die den Luftstrom über die Flügelüberfläche fließen

lassen ohne, dass dieser Wirbel produzieren kann, dies bedeutet der Luftstrom produziert

weniger Reibung.

Um dieses Prinzip nun auf die Flugzeuge zu übertragen, haben sich Flugzeugingenieure eine

Kunststofffolie einfallen lassen, deren Oberfläche diese microfeinen Rillen besitzt. Sie kann man

auf ein beliebiges Flugzeug aufkleben und das Flugzeug bekommt die Eigenschaften eines

Haifisches, zwar kann es dadurch nicht schwimmen und tauchen, aber eine Menge Energie

sparen. Auf einem Transkontinentalfluges könnte ein mit 75% beklebtes Passagierflugzeug 2,4

Tonnen Kerosin einsparen. Genutzt wird diese Folie allerdings nur von einem einzigen Flugzeug

­ dem damaligen Prototyp ­ wegen mangeldem Intresse der Airlines, wegen ennoch fehlender

effifienz.

Ebenfals aus der Naturstammend ist eine lang gestreckte Rumpfform mit einer runden Spitze

und einer Art Stirnwulst diese die besten Strömungseigenschaften aufweißt. Wer einen

modernen Passagierjet, aus dieser Perspektive betrachtet, wird die Bedeutung natürlicher

Vorbilder für die Flugzeugbauer erkennen.

Ein möglichst flacher Körper, einem Rennauto vergleichbar, zeigt nämlich keineswegs die

idealen aerodynamischen Eigenschaften. Die Spindelform mit dem Stirnwulst dagegen erzeugt

kleinere Wirbel, welche die Luftströmung auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten ohne

Störungen über den Flugkörper hinwegstreichen lassen.

All dies beweisst wie stark die Aerodynamik der Natur, die doch gar nicht so natürliche Luftfahrt

­ der Flug des Menschen der sich gegen seine Natur stellt ­ beeinflußte. Auch in Zukunft wird

die Aerodynamik der Natur, aber auch intiligente werkstoffe der Natur die Luftfahrt stark

beeinflußen.

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2. Erste Aerodynamische Kenntnisse und erste Flugversuche

Die besten Flieger stamen aus der Natur. Dieser Satz ist nicht nicht so abwägig wie er doch

klingen mag, aber die Art und Effizienz der Fortbewegung von Vögeln und Insekten ist selbst bei

modernster Technik bis Heute unerreicht. So ist es auch noch keinem Menschen gelungen sich

mit einem SchwinflügelFlugzeug (Ornithopter) in die Lüfte zu erheben. Ein Ornithopter ist ein

Fluggerät nach dem Prinzip der Libelle ähnelt. Ebenso konnten die Flugleistungen etwa einer

Libelle im Verhältnis zu Größe und Gewicht nicht einmal annähernd erreicht werden.

Das Vorbild schlecht hin für die moderne Luftfahrt ist ohne Zweifel der Vogel. Die Aerodynamik

seiner Flügel war Vorbild und Motivation in der Entwicklung der heutigen Starrflügelflugzeuge.

Als Starrflügler werden alle Flugzeuge bezeichnet die starre Flügel besitzen, die während der

vorwärtsbewegung Auftrieb erzeugen. Ein Hubschrauber besitzt sich drehende Flügel, also ist er

ein Drehflügler. Zwar dreht sich ein Ahornsamen wie ein Rotor eines Hubschraubers, gilt

dennoch nicht als direktes Vorbild des Hubschraubers, dagegen kommt es dem Gyropter sehr

ähnlich, dessen Rotor sich während der Vorwärtsbewegung durch den Fahrtwind bewegt.

Trotzdem werden die Werkstoffe der Hubschrauber immer elastischer und inteligenter und

somit immer ähnlicher der Natur.

Es mag unglaublich erscheinen, aber die ältesten "aerodynamischen" Formen gehen auf das

Zeitalter der Inkas und Pharaonen zurück. In Mittelamerika fand man kleine aus Gold

gefertigten, 1500 Jahre alte, Flugzeug ähnlichen Modelle. Ob

diese Modelle nach aerodynamischen Regeln angefertigt

worden waren steht nicht fest, fest steht jedoch sie besaßen

alle wichtigen Elemente, die ein moderns Flugzeug auch

besitzen. Sie haben modern Deltaflügel (ähnlich moderner

Kampfjets), ein Seitenleitwerk, ein Höhenleitwerk und einen

Rumpf, der all diese Elemente miteinander verbindet. Ein

weiterer Beweiss für die Flugtauglichkeit dieser Flugzeuge

waren zahlreiche Flugversuche, der Forscher, die sich dieser

seltsamen Flugmodelle annahmen. Sie fertigten ein ferngesteuertes, etwa 2m großes,

detailgetreues Modell aus Styropor an, womit sie Flugversuche unternahmen. Das Ergebnis war

unglaublich ­ dieses Jahrhunderte Jahre alte nachgebildete Modell flog nahezu perfekt.

Bedeutet dies nun, dass die Menschen schon Jahrhunderte vor uns Aerodynamische Kenntnisse

hatten oder gar geflogen sind? Fraglich ist diese Theorie, dennoch sprechen die Ergebnisse der

Flugversuche für sich.

Neben den Goldfliegern aus Mittelamerika gab es auch einen Fund aus Ägypten. Es war ein

kleines Holzmodell eines Vogels. Es wurde im Jahr 1967 zufällig im Keller des Ägyptischen

Museums gefunden in einer Kiste mir der Aufschrift "Vogelobjekte", doch der ägyptische

Proffessor, der diesen vermeintlichen Vogel fand wurde eher stutzig zumaute. "Ein Vogel sollte

das sein?" fragte er sich. Er hatte Recht, die Flügelstellung erinnerte eher an ein modernes

Segelflugzeug, die eckige Schwanzfloße und die auffälligen, nach unten geschwungenen Flügel

hatten nicht viel Ähnlichkeut mit einer Taube, wie der Titel dieses Objekt "Taube von Sakkara"

es einordnete. Wie sich später herausstellen sollte, war es 2200 Jahre alt und wurde 1898 in

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einer Pyramiede gefunden. Das Modell wurde von einem Luftfahrtingenieur untersucht. Das

Ergebnis: Bis auf die Rumpfspitze, die einem Vogelkopf ähnelte, hatte dieses Artefakt keinerlei

anatomischen Ähnlichkeiten zu einem echten Vogel. Doch die Auswertungen der

aerodynamischen Tests waren mal wieder erstaunlich, es besaß einen aerodynamisch

perfekten Rumpf mit einer ebenso perfekten dreieckigen Rumpfspitze, die nach Möglichkeit

keine störenden Verwirblungen aufkommen lies, wie es bei modernen Flugzeugen der Fall ist.

Es sollte zwar ein Vogel angedeutet sein, aber nach aerodynamischen Gesichtspunkten hatte es

ein besseres Strömungsbild, weil störende Faktoren wie der nach unten gebogene Schnabel in

eine ansatzlose Rumpfspitze intigriert wurde. Obwohl das ganze Objekt grademal 18cm lang ist

und eine Spannweite von 14cm hat und somit ohne Probleme aus einem Stück gefertigt werden

hätte können ist es aus zwei "an und abrüstbaren" Teilen gefertigt, ähnlich der

Konstruktionsweise eines modernen Segelflugzeugs, der praktischen Verwendung wegen. Ob

diese waage Theorie stimmt und ob die Ägypter vor 2200 Jahren diesen Vogel oder besser

dieses Flugzeug mit aerodynamischen oder gar fliegerischen Absichten bauten ist fraglich. Fest

steht allerdings, dass es 2200 Jahre alt ist und was wesentlich erstaunlicher ist sind die

aerodynamischen Fähigkeiten diesen Objekts.

Wie die "Goldflieger" wurde auch die "Taube von Sakkara" als ferngesteuertes Modell

nachgebaut und getestet. Das ergebnis war ebenso verblüffend wie das der "Goldflieger" es

besaß ausgezeichnete Flugeigenschaften.

Eher zu den Sagen zählt man die Geschichte von Ikaros und Daidalos, die der Sage nach von

Kreta nach Sizillien flüchten wollten, nachdem sie sich Schwingen aus Vogelfedern bauten ­ sie

stürzten zwar ab, doch laut der Sage nach nicht wegen mangelder aerodynamischer

unausgereiftheit, sondern dem Zorn Gottes wegen. Diese Geschichte kann man natürlich nicht

als Beweis für aerodynamisches Wissen in der Antike nehmen, doch gibt es Funde eines ersten

Hubschraubers aus etwa der selben Zeit. Es war ein Spielzeugkreisel mit eingestekten

Vogelfedern, die ihn zum Fliegen brachten, wenn man ihn antrieb.

In diesem Zeitalter wurde das Fliegen meist mit mytischen Wesen in Verbingung gebracht und

weniger mit wissenschaftlichen Grundlagen, doch spätestens nach Leonaro Da Vincis Entwürfen

von Fluggeräten bekam die Fliegerei des Menschen ein Gesicht. Zwar waren seine meisten

Entwürfe von Fluggeräte theoretisch flugfähig, aber auch nur theoretisch. Gebaut hat er keines.

Er sah vor, dass der Pilot die Fluggeräte rein aus muskelkraft antreiben soll ­ er hat einfach

nicht badacht, dass es keinem Menschen möglich wäre eine so

große Anstrengung zu vollbringen, die nötig wäre um eines dieser

Fluggeräte in die Lüfte zu bekommen. Nichts dess zu trotz war Da

Vinci seiner Zeit weit voraus, dennoch bildeten seine Entwürfe

keinen maßgeblichen Einfluß auf die Entwicklung der ersten

Flugzeuge.

Das Fliegen war ein großer Traum der Menschheit, doch war es

keinem Menschen möglich durch Muskelkraft zu fliegen wie z.B.

mit befiederten Armen ­ denn ein Mensch ist schlicht weg nicht

ausgelegt zum fligen. Darum mussten komplexere Hilfsmittel in

form von Flugmaschinen her.

Das beste Vorbild für diese Flugmaschinen liefert die Natur mit

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den Vögeln. Nach deren Vorbild baute der sog. "Schneider von Ulm" alias Albrecht Ludwig

Berblinger eine Maschine, mit der er den Schwingenschlag der Vögel immitieren wollte. Doch

der Versuch einen Vogel zu immitieren resultierte in Flugeigenschaften, die eher einem Stein

ähnelten als einem Vogel. Der Pilot hatte nicht einmal die Kraft um die Flügel waagerecht zu

halten geschweige denn damit zu "Flattern", er fiel dabei wie ein Stein in die Donau, die der

damit überqueren wollte.

Der Erste, der sich entgültig vom Schwingenflug verabschiedete und somit auch die Flugweise

eines Vogels nicht mehr als maßgebliches Vorbild nahm war Sir George Caley (1773 bis 1857).

Er untersuchte als erster die grundlegenden Probleme des aerodynamischen Fluges und wird

daher Als " Vater der Aeronautik" bezeichnet. Er löste sich vom Schwingenflug indem er ab

1809 ein Vorschlag für ein Fluggerät entwickelte, dass durch eine angestellte Flügelfläche und

einen Vortriebsmechanismus fliegen sollte. Als Vortriebsmechanismuss sah er einen Propeller

vor, den er schon in seiner Jugendzeit entwickelt hatte. Er brachte z.B. mit einem Prototyp

eines diesen Propellers ein Spielzeug zum fliegen, womit er als erster das Prinzip des modernen

Starrflügelflugzeugs beschreibt.

Er bewies aufgrund intensiver Studien, gegen den

Glauben vieler, dass es dem Mensch unmöglich

sei, mit einem Paar ,,angeschnallter Flügel" aus

eigener Muskelkraft zu fliegen. Eine von ihm

1799 über dieses Thema verfasste Abhandlung

hatte großen Einfluss auf die weitere Entwicklung

der Luftfahrt. Auf seine Erkenntnisse haben u.a.

auch die Gebrüder Orville und Wilbur Wright

einen Teil ihrer Arbeit aufgebaut.

1804 begann Cayley Fluggeräte in Form von Gleitern zu bauen, die bereits große Ähnlichkeiten

zu heutigen Gleitern aufwiesen b.z.w. Flugdrachen oder Hängegleiter. Seine Gleiter

waren Eindecker mit großen Vordertragflächen und kleineren Hecktragflächen sowie

horizontalen Stabilisatoren. Die erste Besatzung auf den ersten Testflügen seiner Gleiter

bestand aus Tieren, die er als Ballast mit fliegen lies.

Ende Juni 1852 oder Anfang Juli 1853 soll er seinen Kutscher überzeugt haben, sich als Pilot zur

Verfügung zu stellen. Der Gleiter soll auf einen Berg in Brompton, London geschleppt worden

sein, von wo er dann, mit dem Kutscher an Bord, von mehreren Arbeitern den Berg

hinabgeschoben wurde, bis er abhob und nach einem rund 130 m weiten Flug sicher auf einer

Wiese landete. Dies wäre dann der erste überlieferte erfolgreiche

bemannte Segelflug gewesen, bereits rund 40 Jahre vor Otto Lilienthal. Die Tatsache, dass in

den folgenden 40 Jahren, bis zu den Versuchen Otto Lilienthals, keine bemannten Flüge

stattgefunden haben, lässt an der Darstellung Caleys Zweifel aufkommen. Andererseits wurde

das Fluggerät 1974 nach Originalplänen rekonstruiert und am Originalschauplatz vom

bekannten englischen Segelflieger Derek Piggot erfolgreich geflogen, nachdem es von einem

Auto angezogen wurde, dabei konnte der Pilot Piggot den Gleiter sogar kontrolliert steuern.

Damit ist zumindest die grundsätzliche Tauglichkeit der Konstruktion bewiesen. Ein weiterer,

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späterer Nachbau flog 2003. Bei diesem Versuch waren Allan McWhirter und Richard

Branson die Piloten.

Ein weiterer Pionier der Entwicklung der Luftfahrt und der Aerodynamik war Otto Lilienthal. Der

ausgebildete Machinenbauingenieur aus Anklam, Deutschland erkannte früh, anhand

Beobachtungen von dem Fluverhalten der Vögel, dass eine gewölbte Flügelform optimal ist.

Dafür führte er zahlreiche Expeimente mit verschiedenen Flügelformen durch. Er unterschied

sich deutlich darin, dass er im Gegensatz zu all seinen Vorläufern nicht nur einen Flug

unternahm, sondern nach theoretischen und praktischen Vorbereitungen weit über 1.000

Stück. Ebenfals pionierhaft an seiner Artbeit war die Entwicklung einer Art Windkanal den er

"Rundlaufapparat" nannte. Bis zu seinem Tod im Jahr 1896 baute er 18 Fluggeräte, die er alle

selbst testflog. Es waren überwiegend Hängegleiter, mit denen er beispielsweise einen Abhang

herab ran, abhob und kurze Zeit schwebte. Doch diese Leidenschaft kostete ihm doch

schließlich sein Leben, nachdem er beim Landen stürzte, an dessen Verletzungen er stab.

Doch die Weiterentwicklung der Aerodynamik und der Luftfahrt hatte noch mehr zu bieten als

Gleiter ­ den Motorflug.

Der erste Flugpionier des Motorfluges wäre der DeutschAmerikaner Gustav Weißkopf, er soll

den ersten Motorflug der Menscheit unternommen haben, doch sein Flug wurde weder

dokumentiert noch fotografiert einzige Beweissmittel sind Zeugenaussagen. Ob es dieser

Pionier war, der den ersten Motorflug der Geschichte unternahm oder ob nicht ist nicht gewiss.

Gewiss sind jedoch die zahlreichen Mororflüge des deutschen Karlo Jatho. Er flog nachweislich

mit einem ungesteuerten Motorflugzeug vier Monate bei Hannover. Doch eines fehlte Ihm ­

Eine Steuerung. Diese besaß allerdings das Fluggerät der Gebrüder Wright, die damit den ersten

gesteuerten Motorflug der Geschichte der Meschheit durchführten.

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Den beiden Fahradwerkstadtbesitzer aus Dayton, Ohio bewiesen schon

früh aerodynamisches Wissen und vorallem die Motivation jahrelang zu

experimentieren, um die perfekte Konstruktion eines Flugzeugs zu finden.

Sie waren dafür bekannt ihre Versuche und Flüge genaustens zu

dokumentieren. Der Wille den "Menschenflug" zu ermöglichen hatten die

Brüder schon als Kinder, sie machten Versuche und bauten kleine

Fluggeräte wie Drachen. Sie bewunderten große Flugpioniere wie Otto

Lilienthal sehr und als diese starb wurde ihr Wille nur noch gestärkt zu

fliegen. Sie erkannten, dass Otto Lilienthal das Problem des dynamischen

Auftriebs gelöst hatt und somit nur abgestürzt sei, weil er keine

ausgereifte Steuerung hatte. Dieses Problem wollten sie lösen. Sie hatten die Voraussetzung

eine leichte, Stabile und aerodynamische Grunkonstruktion aus teilweise Fahradteilen zu

bauen. Sie erkannten auch das es möglich wäre einen Verbrennungsmotor auf einem solchen

Flugzeug zu befestigen, um den Vortrieb zu gewährleisten. Auch dazu besaßen sie ausreichend

Wissen, denn sie experimentierten auch mit Motoren und wollten sogar eine eigene Fabrik

dafür aufbauen, dass aber mangels Kapitals scheiterte. Doch das fortschritlichste an ihrer Arbait

war die neue, von Ihnen konstruierte Steuerung. Diese ermöglichte es den Piloten die

Flugzeuge von ihrem Cockpit aus zu Steuern und somit zu kontrollieren. Es beugte ebenfals

Unglücke wie das Otto Lilienthals vor. Die Flugzeugsteuerung war so revolutionär, dass sie sie

patentieren mussten, um ihre Erfindung vor der Konkurenz aus Frankreich zu schützen. Sie

funktionierte ähnlich den heutigen, indem der Pilot die Flügelspitzen über Seilzüge um ihre

Querachse neigt, man kann dies auch mit dem verwinden der Flügel beschreiben.

Nach diesen revolutionären Endeckungen der Aerodynamik, bauten die Gebrüder Wright

zunächst einen Gleiter, den sie Flyer 1 nannten. Dieser war nun kein Hängegleiter mehr wie all

seinen Vorgänger, sondern ein für diese Zeit komplexes Flugzeug. Es war ein Doppeldecker, der

bereits ein Höhenruder und ein Seitenleitwerk hatte. Mit dem Höhenruder konnte erstmals die

Querachse während des Fluges kontrolliert werden, dass heißt der Pilot konnte steigen und

sinken. Mit dem Seitenleitwerk konnte ein Flugzeug ebenfals erstmals um seine Gierachse

gesteuert werden, was ein steuern nach Links oder Rechts ermöglichte.

Nach diesen erfolgreichen Testflügen als Gleiter, installierten sie

einen Motor hinter den Platz des Piloten auf den Flügel, mitdem

Zwei große, hölzerne Propeller über zwei Fahradketten

angetrieben wurden. Damit waren nun längere Flüge möglich und

es gelang sogar einen kompletten Kreis zu fliegen. Es gelang sogar

die USA zu durchfliegen ­ in 38 Tagen.

In Europa sätzte man stattdessen auf motoriesierte Ballons, um

Erfolge in der motoriesierten Luftfahrt zu erzielen, woraus die

ersten Zeppeliene entstanden. Die nächsten Jahre wurden durch

weitere Entwicklungen und Flugversuche geprägt, darunter die

Entwicklung eines Flugzeug, dass mehr den Aufbau hatte eines

Drachen, woraus später das erste Ultraleichtflugzeug werden

sollte. Zur gleichen Zeit ging in Europa der Trend herum, immer mehr Flügel an einem Flugzeug

zu montieren, dies waren meistens Dreidecker, doch reichte die Anzahl auch bis Fünfzigdecker,

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mitdem Horatio Frederick Phillips 1907 den ersten Motorflug Englands unternahm. Zwei Jahre

später gelang es dem Franzosen Louis Blériot den Ermelkanal in einem eigens von ihm

Entwickeltem Flugzeug zu überqueren. Doch setzte man in den Jahren nach den Gebrüdern

Wright weniger auf aerodynamische Kenntnisse bei der Entwicklung neuer Flugzeuge ­

stützten sich stattdessen mehr auf Erungenschaften der Wrights und anderen Flugpionieren.

Vor dem 1. Weltkrieg machten neue Rekorde den Hauptansporn aus, es galt nun immer

schneller und immer höher fliegen zu können ­ das schnellste damalige Flugzeug kam aus

Frankreich und erreichte die damalige Spitzengeschwindigkeit von 200 Km/h.

Während des 1. Weltkrieges galt die Entwicklung neuer, besserer Flugzeuge strategischer

Zwecke ­ Flugzeuge wurden nun Waffen und mussten bessere Leistungen erbringen, vorallem

nach aerodynamischen Gesichtspunkten. Sie mussten leichter stabiler und besser zu fliegen

sein, wobei die besseren Flugeigenschaften, wie Wendigkeit mit Aerodynamik zu tun hat.

Trotz der großen Tragig der Kriege, waren Kriege wie der 1. und 2. Weltkrieg regelrechte

Motoren der Flugzeugentwicklung. Ohne den 1. Weltkrieg wäre die Entwicklung ­ auch der

Aerodynamik der Flugzeuge kaum so weit wie sie jetzt ist. Nach dem 1. Weltkrieg bekamen

die Flugzeuge eine neue Rolle in der Wirtschaft. Sie wurden nun hauptsächlich als

Postflugzeuge eingesetzt und wurden auch bald wichtiges Bestandteil des Passagierverkerhrs.

Von nun an trat die Aerodynamik immer mehr in den Vordergrund in der Entwicklung neuer

Flugzeuge. Ein großer Pionier dieser Zeit ­ den frühen Zwanziger Jahren ­ war der Deutsche

Hugo Junkers. Er baute estmals stromlienienförmige und somit aerodynamisch perfekt

durchgedachte Flugzeuge. Stromlinienförmig ist ein Flugzeug, wenn es dem Luftstrom, der es

während des fliegens umgibt einen möglichst geringen Widerstand bietet.

Als nun der 2. Weltkrieg began, erlebte die Entwicklung der Flugzeuge einen neuen

Vorwärtsschub. Die Nationalsozialisten rüsteten derart auf, sodass niemand der Entwicklung

des Flugzeug noch nachkommen konnte. Die einst hölzernen, mit stoffbezogenen, langsamen

Flugzeuge, die auch von aerodyamischen Formen weit entfernt waren wurden nun zu

schnellen, metallenen und aerodynamisch perfekt ausgefeilten Flugzeugen.

All diese Entwicklungen führten zu Weiterentwicklungen in der Nachkriegszeig. Die

bedeutenste war das Strahltriebwerk, dass den Flugzeugingenieuren wiederum die Welt der

hohen Geschwingigkeit öffnete. Es wurde nun möglich die Schallmauer zu durchbrechen, was

allerdings zu neuen aerodynamischen Problemen führte. Doch auch diese wurden gelöst mit

der Bell X1, dem erste Überschallflugzeug.

Heute trägt die Aerodynamik hauptsächlich dazu bei Flugzeuge ecomomischer zu machen und

die Leistung zu verbessern.

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3.1. Was ist die perfekte Flügelform? / Der praktische Teil

Die folgende Versuchsreihe zeigt wie ausschlaggebend die Form eines Flügels für das

Flugverhalten ist.

Das Ziel dieser Versuchsreihe ist es die Funktionsweise von Flügeln und deren Vor und

Nachteile bei verschiedenen Anstellwinkeln und verschiedenen Windstärken zu untersuchen.

Ein Flügelprofil bezieht sich auf die Form eines Querschnitts eines beliebigen Flügels. Jedes

Flügelprofil hat andere Eigenschaften, weshalb es für jeden Zweck, den ein Flugzeug erbringen

soll andere, für diesen Zweck passende Profile gibt. Um die Eigenschaften verschiedener

Flügelprofile herauszufinden, fertigte ich kleine Flügelmodelle an, deren Profile ich vorher auf

Papier entwarf.

Als perfektes Material für diese Versuchsflügel, stellte sich Balsaholz heraus. Balsaholz ist sehr

leicht und lässt sich relativ einfach und leicht in die entsprechende Form bringen. Nachdem ich

die verschiedenen Flügelprofile aus dem Papier entworfen habe, nahm ich ein Brett Balsaholz,

teilte es in gleichgroße Teile und schliff das entsprechende Profil in das Stück Balsaholz.

Nachdem ich nun die verschiedenen Flügelprofile fertig stellte, brauchte ich nur noch einen

Weg den Auftrieb der Profile und somit die Vor und Nachteile zu messen.

Wissenschaftler der Aerodynamik benutzen schon früh eine sog. Auftriebswaage, um die Kraft

des Auftriebs zu messen (siehe Bild)

Um den Auftrieb meiner

Flügelprofilmodelle messen zu können

brauchte ich auch eine solche Waage, also

konstruierte ich eine solche, die der auf

der Abb. nachempfunden ist. Es ist eine

sog. Zweikomponentenwaage, die den

Auftrieb sowie den Luftwiederstand

messen kann. Jeztzt fehlte nur noch eine

Windquelle. Da ich keinen Windkanal

besitzte und auch keinen Zugang zu

einem habe, bestand mein Windkanal aus einem gewöhnlichem Zimmerventilator. Dieser hatte

3 einstellbare Windstärken, womit ich den Auftrieb und Widerstand unter verschiedenen

Windstärken messen konnte. Den Ventilator stellte ich nun parallel zu dem Flügel direkt vor

den jeweiligen Versuchsflügel. Weil der Propeller des Ventilators einen zum Boden parallelen

Luftstrom nur an seinem mittleren, oberen Ende aufweist und an seinen Außenseiten einen

Auf oder Abwärts sog erzeugt, mußte ich meine Versuchsreihe wiederhohlen, da ich den Flügel

vor den Außenseiten des Ventilators positionierte.

Als das Windlabor nun fertig eingerichtet war, konnte ich mit den Versuchen beginnen.

Die Waage war so konstruiert, dass ich die einzenen Flügel immer auswechsen konnte, um sie

somit nacheinander testen konnte.

Ich testete jeden Flügel mit verschiedenen Anstellwinkeln, 0°, 10°, 20°, 30° und Windstärken,

dabei maß ich zuerst die Auftriebskraft und den Widerstand bei einem Winkel und allen Drei

Windstärken.

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Nachdem ich den Auftrieb und den Widerstand bei allen Windstärken gemessen habe, änderte

ich den Winkel. Dies wiederhohlte ich bei jedem Winkel.

Die Werte trug ich in eine

Wertetabelle ein, die ich dann auf Computergestützte Diagramme übertrug und auswertete.

3.1. Diagramme und deren Auswertung

Ich fertigte vier verschiedene Flügelprofilmodelle an. Jedes hat ein ein unterschiedliches Profil,

damit ich anhand der Diagramme die Vor und Nachteile auswerten kann.

Flügel 1

Flügel 1 ist kurz und hat ein dickes Profil. Seine Flügelvorderkannte ist sehr hoch und dumpf.

Seine Flügeloberseite ist duch die hohe Flügelvorderkannte nur leicht gewölbt und fließt an

seiner Flügelhinterkannte mit der am Ende leicht gewölbten, aber sonst flachen

Flügelunterseite Zusammen.

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Auf dem obigen Diagramm sind die Auftriebswerte von Flügel 1 bei verschiedenen Windstärken

Abgebildet.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 1 bei einem

Anstellwinkel von 0° bei verschiedenen Windstärken. Der blaue Graph stellt den Auftrieb da,

wobei der rote Graph den Luftwiederstand dastellt. Der Auftrieb steigt mit der

Windgeschwindigkeit an, beginnt mit zunehmender Windgeschwindigkeit aber auch geringer zu

Steigen, da der Luftwiderstand aufgrund der hohen Windgeschwindigkeit den Auftrieb an Kraft

übertrifft.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 1 bei einem

Anstellwinkel von 10° bei verschiedenen Windstärken. Der Auftrieb steigt mit der

Windgeschwindigkeit an, beginnt aber geringer zu steigen, nachdem der Luftwiderstand bei

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höheren Windgeschwindigkeiten ansteigt. Dennoch übertrifft die Kraft des Luftwiderstands

nicht die Auftriebskraft.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 1 bei einem

Anstellwinkel von 20° bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Der Auftrieb steigt mit der

Windgeschwindigkeit an. Der Anstieg beider Kurven bei höheren Windgschwindigkeit macht

deutlich, dass der Stoßauftrieb, der bei höheren Anstellwinkeln einsetzt, den Gesamtauftrieb

und den induzierten Widerstand des Flügels erhöht.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 1 bei 30°

Anstellwinkel und bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Der Auftrieb steigt mit der

Windgeschwindigkeit an, dennoch übertrifft die Kraft des Widerstands den Auftrieb bei allen

Windgeschwindigkeiten, da der Flügel bei einem Anstellwinkel von 30° nicht mehr genügend

Auftrieb erzeugen kann. Er erzeugt stattdessen umso mehr Luftwiderstand, da er dem Wind

durch seinen hohen Anstellwinkel eine größere Angriffsfläche bietet und somit mehr indizierten

Widerstand erzeugt

Die folgenden Diagramme zeigen die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 1 bei

den Windstärken 1 bis 3 und bei verschiedenen Anstellwinkeln.

Der Auftrieb steigt stetig mit dem

Anstellwinkel an, ebenso steigt der

Widerstand an, der bei dem kritischen

Anstellwinkel von 30° den Auftriebswert

übertrifft. Ab dem Anstellwinkel von 20 °

beginnt der Auftriebsanstieg zu fallen.

Der Auftrieb steigt stetig mit dem

Anstellwinkel an, beginnt bei 10° mehr zu

steigen und beginnt bei 20° wieder weniger

zu steigen. Der Luftwiderstand steigt bei

geringen Anstellwinkeln gering, beginnt aber

ab 10° parallel zum Auftrieb zu steigem und

übertrifft ihn schließlich.

Der Auftriebswert steigt zunächst leicht mit

dem Anstellwinkel an, steigt aber ab dem

Anstellwinkel von 10° stark an zu steigen,

wonach er aber ab dem Anstellwinkel von

20° damit beginnt nur noch leicht zu steigen.

Der Luftwiderstand steigt zunächst nicht,

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beginnt aber ab dem Anstellwinkel von 10° stark an zu steigen und übertrifft den Wert

des Auftriebs bei Weiten.

Flügel 1 erzeugt bei geringen Geschwindigkeiten einen nur geringen Wert an Auftrieb, doch

zugleich einen sehr hohen Luftwiderstand bei niedrigen Anstellwinkeln. Der Flügel erzeugt im

Vergleich zu den Anderen bei niedriegen Anstellwinkeln einen sehr hohen Luftwiderstand, da

das Profil des Flügels sehr dick ist und somit mehr Luft verdrängt, als ein Flügel der ein

schlankeres Profil aufweist. Bei höheren Anstellwinkeln sind seine Auftriebswerte, durch sein

maßiges Profil recht hoch, doch der Widerstand ebenfalf. Dieses Flügelprofil erzeugt sein bestes

Ergebnis bei niedrigen Geschwindigkeiten und erzeugt dabei einen relativ hohen Auftrieb. Bei

höheren Geschwindigkeiten erzeugt er einen relativ geringen Auftrieb, aber einen sehr hohen

Luftwiederstand, dass ihn für hohe Geschwindigkeiten untauglich macht.

Flügel 2

Das Profil von Flügel 2 ist im Gegensatz zu dem von Flügel 1 sehr schlank. Die

Flügelvorderkannte ist nicht dick und dumpf, sondern flach und spitz zulaufend. Die

Flügeloberseite von Flügel 2 ist stärker gewölbt als die von Flügel 1, sie trifft die nur sehr leicht

gewölbte Flügelunterseite in einer spitz zulaufenden Flügelhinterkannte.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 2 bei dem

Anstellwinkel 0° und bei verschiedener Windstärken. Der Auftriebswert steigt mit der

Windstärke an, beginnt aber ab der Windstärke 2 weniger zu steigen. Der Luftwiderstand steigt

parallel zu dem Auftriebswert an, steigt aber weniger ab der Windstärke 2. Der Widerstand

übertrifft nicht den Auftriebswert.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 2 bei dem

Anstellwinkel 10° und bei verschiedenen Windstärken. Der Auftriebswert steigt mit der

Windstärke an, parallel dazu steigt der Widerstand an, übertrifft ihn aber nicht.

Der Auftriebswert ist bei allen Windgeschwindigkeiten weit über dem Luftwiderstandswert.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 2 bei dem

Anstellwinkel 20° und bei verschiedenen Windstärken. Der Auftriebswert steigt mit der

Windgeschwindigkeit an, wobei aber der Luftwiderstandswert früh den Wert des Auftriebs

übertrifft und darüber bleibt.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 2 bei einem

Anstellwinkel von 30° und bei verschiedenen Windstärken. Der Auftrienswert steigt wieder mit

der Windgeschwindigkeit an, doch erzeugt dieser Flügel wie alle Anderen auch bei einem

großen Anstellwinkel von 30° deutlich mehr Widerstand als Auftrieb, was an dem erhöhten

induziertem Widerstand liegt, der durch den hohen Anstellwinkel resultiert.

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Die folgenden Diagramme zeigen die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 2 bei

den Windstärke 1 bis 3 und verschiedenen Anstellwinkeln.

Der Auftriebswert steigt stetig mt dem

Anstellwinkel an, beginnt jedoch ab

einem Anstellwinkel von 20° zu sinken,

während der Widerstand den

Auftriebswert schließlich übertrifft. Der

Abfall von Auftrieb bei dem kritischen

Anstellwinkel von 20° ist durch die

mangelnde Auftriebsfähigkeit bei hohen

Anstellwinkeln zu erklären.

Die Auftribswerte steigen zunächst leicht

an, ab einem Anstellwinkel von 10°

beginnen sie stärker zu steigen, wonach

sie aber ab einem Anstellwinkel von 20°

wieder nur noch gering steigen. Der

Luftwiderstand fällt zunächst, beginnt

jedoch stark zu steigen, desto höher der

Anstellwinkel ist. Der Widerstand steigt

so stark, weil aufgrund der höheren

Windgeschwindigkeit mehr Luft in der

gleichen Zeit gegen die Unterseite des

Flügels drückt und somit mehr

Widerstand verursacht, desto größer der

Anstellwinkel ist.

Die Auftriebswerte steigen zunächst nur

leicht an, steigen jedoch stärker an,

sobald der Anstellwinkel ansteigt. Der

Widerstand steigt ebenfals zunächst erst

leicht, beginnt jedoch stetig sehr stark

anzusteigen bei höheren Anstellwinkeln

und übertrifft dabei den Auftrieb.

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Flügel 2 ist wesentlich schlanker als Flügel 1, dies macht sich auch in den Auftriebs und

Wiederstanswerten bemerkbar. Flügel 2 erzeugt im Gegensatz zu Flügel 1 bei geringen

Anstellwinkeln wesentlich weniger Luftwiderstand und stattdssen mehr Auftrieb. Ebenso ist

Flügel 2 bei höheren Windgeschwinigkeiten weniger Widerstandsanfällig als Flügel 1. Bei

Hohen Anstellwinkeln verhält sich Flügel 2 ähnlich Flügel 1 und 3. Flügel 2 zeigt seine Besten

Ergebnisse bei langsamen bis mittleren Geschwindigkeiten und einen Anstellwinkel von 10°.

Flügel 3

Das Profil von Flügel 3 weist eine moderate Dicke auf, hat aber eine eher dumpfe, doch zugleich

spitze Flügelvorderkannte. Seine Flügeloberseite ist wie auch die Flügelunterseite stark

gewölbt. Das besondere an diesem Flügel ist, dass das Profil symetrisch ist, d.h. die Wölbung

der Flügeloberseite ist die selbe der Flügelunterseite.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 3 bei einem

Anstellwinkel von 0° bei verschiedenen Windstärken. Man kann deutlich sehen, dass der

Auftrieb stark mit der Windgeschwindigkeit ansteigt. Der Luftwiderstand dagegen bleibt

durchgehend sehr gering. Dies ist auf den geringen Anstellwinkel von 0° zurückzuführen, der

dem Wind somit eine geringe Angriffsfläche bietet.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 3 bei einem

Anstellwinkel von 10° und bei verschiedenen Anstellwinkeln. Der Auftriebswert steigt stetig

mit der Windgeschwindigkeit an, währendessen steigt der Widerstand erst zögerlich, aber ab

Windstärke 2 sehr stark an bis er den wert des Auftriebs übertrifft. Der Widerstand übertrifft

den Auftrieb aber nicht so extrem wie es bei den Anderen Flügeln der Fall ist.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 3 bei einem

Anstellwinkel von 20° und bei versschiedenen Anstellwinkeln. Der Auftriebswert steigt zuerst

leicht an und beginnt ab der Windstärke 2 stärker zu steigen. Der Widerstandswert steigt

stärker an, als der Auftriebswert und übertrifft diesen schnell. Ein erhöhter Widerstand bremst

den Flügel.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 3 bei einem

Anstellwinkel von 30° und bei verschiedenen Anstellwinkeln. Der Auftriebswert steigt stetig

mit der Windgeschwindihkeit an. Der Widerstandswert befindet sich immer über dem

Auftriebswert.

Die folgenden Diagramme zeigen die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 3 bei

den Windstärken 1 bis 3 und bei verschiedenen Anstellwinkeln.

Der Auftriebswert steigt zunächst leicht

mit dem Anstellwinkel an, steigt ab 10°

Anstellwinkel weniger, um ab 20°

Anstellwinkel wieder stärker zu steigen.

Der Widerstand steigt ebenfals zunächst

leicht, erhöht sich aber schlagartig ab 20°

Anstellwinkel.

Der Auftriebswert steigt zunächst, fällt

aber ab 10° Anstellwinkel wieder, um ab

20° Anstellwinkel wieder zu steigen. Der

Widerstand steigt konstant mit dem

Anstellwinkel an und übertrifft den

Auftriebswert bei 20° Anstellwinkel.

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Der Auftriebswert steigt konstant mit

dem Anstellwinkel an. Der Widerstand

steigt zunächst rapide an, um ab 10°

Anstellwinkel wieder geringer zu steigen,

übertrifft dabei aber früh den

Auftriebswert.

Flügel 3 ist symetrisch geformt, dies hat den folgenden Grund: Dises Flügelprofil kommt bei

Kunstflugzeugen zum Einsatz, diese brauchen eine solche Form, da sie oft auf dem Rücken

fliegen und einen gleichen Auftrieb benötigen, egal in welcher Lage sie sich befinden.

Flügel 3 erzeugt seinen besten Auftriebswerte bei bei geringen Geschwindigkeiten und flachen

Anstellwinkeln wie 0° und 10°. Ab 20° Anstellwinkel beginnt der Luftwiderstand überhand zu

nehmen, wesswegen Flügel 3 bei hohen Anstellwinkeln nicht effizient arbeiten kann.

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Flügel 4

Flügel 4 hat ein sehr flaches und schlankes Profil. Seine Flügelvorderkannte ist schlank

zulaufend. Die Flügeloberseite ist stark gewölbt und geschwungen, währendesssen ist die

Flügelunterseite sförmig geschwungen.

Dieses Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 4 bei einem

Anstellwinkel von 0° und bei verschiedenen Windstärken. Der Auftriebswert steigt stetig mit

der zunehmenden Windgeschwindigkeit. Der Widerstandswert steigt jedoch zunächst erst

leicht an, um ab der Windstärke 2 stärker zu steigen. Der Wiederstand übertrifft nicht die Kraft

des Auftriebs.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 4 bei einem

Anstellwinkel von 10° und bei verschiedenen Windstärken. Der Auftriebswert steigt stetig mit

der zunehmenden Windstärke an. Der Widerstand steigt zunächst stark an, um an der

Windstärke 2 nicht weiter zu steigen.

Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 4 bei einem

Anstellwinkel von 20° und bei verschiedenen Windstärke. Der Auftrieb steigt stark mit der

zunehmenden Windgeschwindigkeit an und beginnt ab der Windstärke 2 weniger zu steigen.

Der Widerstand steigt stetig an, übertrifft jedoch nicht die Kraft des Auftriebs.

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Das Diagramm zeigt die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 4 bei einem

Anstellwinkel von 30° und bei verschiedenen Windstärke. Der Auftriebswert steigt stetig mit

der zunehmenden Windgeschwindigkeit an. Der Widerstandswert ist bei allen

Windgeschwindigkeiten höher als die Auftriebskraft.

Die folgenden Diagramme zeigen die Auftriebswerte und Widerstandswerte von Flügel 4 bei

den Windstärken 1 bis 3 und bei verschiedenen Anstellwinkeln.

Der Auftriebswert steigt zunehmend mit

den zunehmenden Anstellwinkeln an. Der

Widerstandswert ist zunächst bei Null,

beginnt aber zu steigen ab 10°

Anstellwinkel, worauf er ab 20°

Anstellwinkel rapide zu steigen begint.

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Der Auftriebswert steigt zunehmend mit

den zunehmenden Anstellwinkel an. Der

Widerstandswert steigt zunächst nur

leicht, beginnt aber nach 10°

Anstellwinkel stärker zu steigen, worauf

er ab 20° Anstellwinkel rapide ansteigt.

Der Auftriebswert steigt zunehmend mit

den zunehmenden Anstellwinkel an. Der

Widerstandswert sinkt zunächst, steigt

aber wider ab 10° Anstellwinkel und

steigt nach 20° Anstellwinkel rapide an.

Flügel 4 ist nach modernsten aerodynamischen Gesetzten geformt. Dieses Profil kommt bei

modernen Passagierflugzeugen zum Einsatz.

Dadurch fällt Flügel 4 deutlich durch seinen geringen Luftwiderstand auf, er ist der

Effizientestete, da er den höchsten Auftrieb erzeugt und dabei den geringsten Luftwiderstand

erzeugt.

Flügel 4 weist die größte effizienz bei einem Anstellwinkel von 10° auf, dennoch ist er fähig bei

allen Anstellwinkeln außer dem kritischen von 30° effizienten Auftrieb zu erzeugen.

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Fazit

Das effizientiste Flügelprofil besitzt Flügel Nr. 4. Dieser erzeugt bei allen Windstärken und allen

realistischen Anstellwinkeln den meissten Auftrieb, während er den niedrigsten Luftwiderstand

bietet.

Bei hohen Geschwindigkeiten ist Flügel 2 am besten geeignet, da er dabei einen relativ hohen

Auftrieb und einen niedrigen Luftwiderstand erzeugt.

Flügel 3 ist besonderst für Flüge bei langsamen Geschwindiglkeiten und hohe Anstellwinkel

geeignet.

Flügel 1 dagegen erzeugt durch seine sehr massige Form einen sehr hohen Luftwiderstand, was

Ihn für hohe Geschwindigkeit untauglich macht. Er ist dagegen gut für schwere Last geeignet,

denn er erzeugt bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten eine hohe Auftriebskraft.

Die Auswertung dieser Versuch macht deutlich, wie entscheident die Form eines Flügels ist.

Schon eine geringe Veränderung der Form kann über erzeugten Auftrieb, Wiederstand und

somit die mögliche Geschwindigkeit oder sonstige Eigentschaften entscheiden, die der Flügelel

seinem Flugzeug verschafen.

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Quellen

Internet

http://de.wikipedia.org/wiki/Tragfläche

http://de.wikipedia.org/wiki/BernoulliEffekt

http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Luftfahrt

http://erlebniswissen.lufthansa.com

http://www.flugtheorie.de

Bücher

Rod Machado´s Privat Pilot Handbook, Chapter 2 Aerodynamics, San Clement, CA, 1996

Flugzeuge der Pharaonen, Rottenburg, 2004,

Bilder

http://www.Axelonline.org

http://www.slimfilms.com

http://www.wings.avkids.com

http://www.b737.org.uk

http://www.

flickr.com/

http://www.casetechnology.com

http://de.wikipedia.org/wiki/Strömung_nach_Bernoulli_und_Venturi

http:// www.ancientmysteries.eu

http://www.ulm.de

http://www.nationmaster.com

http://www.ctie.monash.edu.au

http://de.wikipedia.org/wiki/Brüder_Wright

http://erlebnisswissen.lufthansa.de

http://mainland.cctt.org

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