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Bernoulli …oder vielleicht doch eher Newton?       Click here for English version

Fliegen ohne Strömung…?

Seit über 100 Jahren wird die allseits bekannte Strömungstheorie verwendet, um das Fliegen eines Flugzeuges zu erklären, ...und dann stellt sich vielleicht heraus, dass doch eher Newton mit der Massentheorie die richtigere Erklärung ist...

Bitte an dieser Stelle nicht sagen: „Was ist denn das für ein Unsinn“, sondern einfach mal interessiert weiter lesen, vielleicht kann ich euch ein wenig zum Nachdenken anregen oder sogar überzeugen?!

Unbestritten ist, dass das Verhalten einer Luftströmung, das Bernoulli in seiner Strömungslehre beschrieben hat, an einem Flugzeugprofil beobachtet werden kann, wenn man es im Windkanal mit einer beschleunigten Luftmasse umströmt.

Aber - sind die Verhältnisse an einem Flugzeugflügel, der sich in einer ruhenden Luftmasse (Atmosphäre) bewegt, tatsächlich so wie im Windkanal bzw. kann man die Verhältnisse tatsächlich 1 zu 1 übertragen?

Ich glaube nein!

Grund meiner Zweifel an der Strömungstheorie zur Auftriebserzeugung sind einige Beobachtungen an startenden Flugzeugen, beim Insekten-, sowie beim Vogelflug:

Beobachten wir einmal ein startendes oder landendes Flugzeug an einem sehr feuchten Tag.

Man kann dann über dem Flügel einen scheinbar stehenden und relativ dicken unförmigen „Nebel“ beobachten, den es nach der Strömungstheorie eigentlich so nicht geben dürfte. Der Nebel entsteht durch in der Luft gelöstes Wasser, das beim Expandieren (und damit Abkühlen) der Luft kondensiert. Bilder, auf denen man den „Nebel“ sehen kann, gibt es zur Genüge, sollte man es nicht selbst schon beobachtet haben.

Auch in der Natur gibt es viele Beispiele, die die Theorie der Auftriebserzeugung durch Massenbeschleunigung belegen, z. B. kennt vermutlich jeder die tollen Naturaufnahmen, wenn ein Adler einen großen, schweren Fisch aus dem Wasser hebt. Nach der Strömungslehre (nach Bernoulli) müsste der Adler seine Flügel mit großer Geschwindigkeit nach vorne schlagen, um einen entsprechenden Unterdruck auf der Flügeloberseite zu erzeugen. Tatsächlich schlägt der Adler seine Flügel waagerecht haltend mit aller Kraft nach unten, um eine Luftmasse nach unten zu beschleunigen, gleichzeitig wird die Luft über seinem Flügel dadurch dünner (es entsteht ein Unterdruck - "Lee-Effekt"). Danach dreht er seine Flügel senkrecht, um mit möglichst wenig Widerstand die Flügel wieder so weit wie möglich nach oben zu bekommen, um dann mit dem nächsten Flügelschlag die Massenbeschleunigung der Luft nach unten und das „Ausdünnen“ der Luft über dem Flügel erneut durchzuführen (s. Bild Pelikan).

Bei fliegenden Insekten kann man den gleichen Vorgang beobachten.
Um den Insektenflug zu erklären, wird von der „Wirbeltheorie“ gesprochen, da die Strömungslehre hier nicht funktioniert, da Insektenflügel flach sind und wie bei einem Schmetterling, keine Profilierung besitzen.

Schauen wir einmal, was in einem Windkanal passiert:

Da werden Luftmassen durch ein Gebläse stark beschleunigt und über ein feststehendes Flügelprofil geleitet, die Luftmasse ist dabei mit Bewegungsenergie (kinetische Energie) geladen. Der Flügel selbst besitzt aber keine kinetische Energie, da er im Windkanal fest montiert ist.
Betrachten wir nun die Luftteilchen, die mit der Luftmasse durch den Windkanal strömen, so stellen wir fest, dass diese Luftteilchen geordnet und ohne große Richtungsänderung in einer Linie (Stromlinie) über und unter dem Profil vorbei strömen. Wir wissen, dass eine Masse, die in Bewegung ist (kinetisch aufgeladen), nur „ungern“ wieder aus der einmal eingeschlagenen Bewegungsrichtung heraus will (Massenträgheit). Dies erklärt die optimalen Strömungsverhältnisse, die man durch Rauchfahnen oder Fäden im Windkanal sichtbar machen kann.

Was geschieht aber im Flug in der freien Atmosphäre?
Hier gibt es einen entscheidenden Unterschied!

In der freien Atmosphäre bewegt sich der Flügel (zusammen mit dem von den Triebwerken angetriebenen Flugzeug) durch eine "ruhende" Luftmasse, die also keine kinetische Energie besitzt, das heißt die Luftteilchen befinden sich, nachdem der Tragflügel sich weiter bewegt hat, immer noch (annähernd) am gleichen Ort!

Sicherlich scheint es so zu sein, wie anhand eines Beispiels oft erklärt wird, dass ein Fluggast, der in einem Flugzeug aus dem Fenster schaut (und die Luftteilchen sehen könnte), die Luftteilchen an sich vorbeiströmen sieht. Aus dieser Vorstellung wird geschlossen, dass ein Luftteilchen sich gleich verhält, egal ob im Windkanal oder beim Fliegen. Der entscheidende Unterschied ist aber (wie schon erwähnt), dass ein Luftteilchen im Windkanal Bewegungsenergie besitzt und damit sehr viel stärker der Massenträgheit unterliegt als ein ruhendes Teilchen und sich damit anders verhält, als ein Luftteilchen, das von einem Flugzeugprofil abgelenkt wird.

Diese „Relativbewegung“ (Flugzeug durch stehende Luft) darf aber meines Erachtens nicht mit „Strömung“ (Bewegung einer Masse: Flüssigkeit oder Gas) gleichgesetzt werden!

Wie soll denn nun der Auftrieb an einem Tragflügel ohne strömende Luft erzeugt werden?!

Schauen wir uns einmal ein Tragflügelprofil an:
Die Flügelober- und -unterseiten haben eine mehr oder weniger starke Krümmung. Wird das Flügelprofil nun in einer Luftmasse bewegt, beschleunigt der Flügel durch seine Angriffsflächen (Nasenkante und das sich verdickende Profil) die Luftteilchen, auf die der Flügel trifft, in verschiedene Richtungen.
Wie wir wissen, ist Aufprallwinkel = Abprallwinkel, das heißt die Luftteilchen werden aus der ruhenden Position in verschiedene Richtungen beschleunigt. An der Flügelnasenoberseite werden demnach die Luftteilchen in Richtung nach oben und sogar gegen die Flugrichtung beschleunigt.

Auf der Tragflügeloberseite entsteht dadurch, dass sich von der Nasenkante (und dem dicker werdenden Bereich dahinter) nach oben beschleunigte Luftteilchen vom Tragflügel entfernen ein Unterdruck (= Auftriebskomponente über dem Flügel), allerdings keine laminare Strömung! Gleichzeitig entsteht der oben schon erwähnte "Lee-Effekt".

Dass dies so ist, wurde durch Flugversuche bestätigt und durch Videoaufnahmen dokumentiert. Bei einem Test wurden etwa 3-4 cm lange dünne Papierstreifen quer zur Flugrichtung und senkrecht stehend auf eine Flügeloberseite geklebt .Nach der Strömungstheorie hätten die Papierstreifen im Flug komplett am Flügel anliegen müssen! Tatsächlich blieben die Papierstreifen aber (annähernd) senkrecht stehen, verursacht durch die von der Nasenkante vertikal beschleunigten Luftteilchen, bzw. durch den "lee-Effekt"! In einem weiteren Versuch wurde dies ebenfalls bestätigt: Rauchpatrone.

In einem anderen Versuch wurde ein Flügel an der Oberseite nur mit einer Nasenkante versehen, d.h. hinter der Nasenkante und einem Absatz" bis hinunter zur Flügelsehne, war der Flügel bis zur Hinterkante praktisch eben – auch dieser Flügel hat (bei gleicher Geschwindigkeit) Auftrieb erzeugt, was nach der Strömungstheorie unmöglich wäre!

An der Flügelunterseite werden die von der Flügelnasenkante „eingefangenen“ Luftteilchen nach unten beschleunigt und dies geschieht trotz wieder abnehmender Profiltiefe praktisch über die gesamte Flügeltiefe, bedingt durch den sog. Anstellwinkel des Flügels. Dieser Effekt kann durch Ausfahren von Klappen (Flaps) an der Flügelhinterkante für Start und Landung noch verstärkt werden.

Diese Reaktionskraft (Aktion = Reaktion) wirkt unter dem Flügel also entgegen der Schwerkraft. Die kinetische Energie, die das Flugzeug in Flugrichtung durch den Tragflügel auf die Luftteilchen übertragen hat, wird nun in Auftriebsenergie umgewandelt, die dem Gewicht des Flugzeuges entgegen wirkt (= Auftriebskomponente unter dem Flügel).

Da sich auf der Flügeloberseite das Gegenteil abspielt, entsteht ein Kräfteungleichgewicht und der Tragflügel wird auf Grund des geringeren Umgebungsdruckes auf der Flügeloberseite nach oben gehoben, er bekommt Auftrieb. Dieser Vorgang bleibt nur so lange bestehen, wie das Flugzeug sich in der Luftmasse schnell genug (!) vorwärts bewegt.

 

Fazit: Über dem Flügel gibt es tatsächlich einen Unterdruck und unter dem Flügel einen Überdruck, der aber meiner Meinung nach durch vertikal und nicht durch horizontal beschleunigte Luftmassen erzeugt wird!

Es bleibt eigentlich nur noch eine entscheidende Frage:
Warum lehrt man uns seit über 100 Jahren, dass ein Flugzeug durch die Strömungstheorie fliegt...?!

Interessanterweise habe ich in einem Physikbuch folgenden Abschnitt gefunden (Quelle leider nicht mehr bekannt):

 Quelle?: Wer weiß aus welchem Physikbuch dieser Abschnitt stammt?! Bitte bei mir melden - danke!

 

Seiten angelegt: 16.01.2010

 

Letztes Update: 01.10.2016

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SR