Tipp: Hier geht’s ausführlichen 10-Punkte-Plan der VWA (Vorwissenschaftliche Arbeit)
Beim Blick auf den Mond sehen wir die Mondphasen. Vollmond, Halbmond, Neumond. Alle 29½ Tage ist dieselbe Mondphase beobachtbar. Wenn bei diesen Mondphasen ein Teil des Mondes nicht sichtbar ist, dann deshalb, weil er im Schatten liegt – nicht beleuchtet wird. Woher aber kommt der Schatten?
Der Aufzug ist das statistisch sicherste Transportmittel. Es handelt sich daher um eine rein hypothetische Angelegenheit. Wenn das Aufzugseil oben reißt, fällt alles nach unten. Der Aufzug. Der Passagier. Was würde der Passagier während des Falls erleben? Klebt er an der Decke, schwebt er, oder wird er bloß ein bisschen leichter?
Ein Flugzeug macht Lärm. Wenn es schneller als der Schall ist, fliegt es dem Lärm davon. Die Form der Schallwellen sind dabei ähnlich wie beim Schwimmen einer Ente auf dem Teich. Nach hinten weg. Der Überschallknall fliegt mit derselben Geschwindigkeit hinter dem Flugzeug her, entsteht also nicht nur, wenn das Flugzeug die Schallmauer durchstößt.
Ein fliegendes Objekt muss leichter werden. Es braucht einen Auftrieb. Beim Heißluftballon wird der Auftrieb durch heiße Luft erzeugt. Die Hülle dient zum Umfassen dieser heißen Luft.
Wikipedia Stichworte: Heißluftballon, Statischer Auftrieb
Der Heißluftballon umfasst mit seiner Hülle heiße Luft. Sie hat im Gegensatz zur umgebenden kalten Luft eine geringere Dichte und erzeugt so einen Auftrieb. Wenn dieser Auftrieb größer ist als das Gewicht des Ballons, steigt der Ballon.
Ein Heißluftballon benötigt einen Mindestdurchmesser, um abheben zu können. Bemerkenswert ist, dass der Auftrieb kubisch (Hoch 3) mit dem Ballondurchmesser wächst: 2-mal so großer Durchmesser: 2•2•2 = 8-mal so hoher Auftrieb.
Wir müssen nun noch die Frage klären, warum heiße/wenig dichte Luft in kalter Luft aufsteigt. Das wird zwar immer als selbstverständlich angenommen, aber begründet muss das physikalisch werden.
Das Phänomen wird “statischer Auftrieb” genannt. Das selbe Phänomen tritt auf beim Schwimmen/Schweben/Aufsteigen eines U-Bootes. Ein bauchiges, voluminöses Objekt wird in einer Umgebung, wo der Druck nach oben hin abnimmt, und nach unten hin zunimmt, einen Auftrieb bekommen. Ob das der Wasserdruck (U-Boot) ist, oder der Luftdruck (Heißluftballon) ist egal.
Eine Zeichnung kann das illustrieren:
(1) Luftdruck nimmt nach oben hin ab.
(2) Luftdruck von oben
(3) Luftdruck von unten
(4) Luftdruck von links und rechts
(5) Alle Druckkräfte zusammen ergeben einen Auftrieb
Ist das Gewicht des Objektes geringer als sein Auftrieb, gewinnt der Auftrieb: das Objekt steigt auf. Ist sein Gewicht größer als der Auftrieb, sinkt es zu Boden.
Wie war das nun mit der heißen Luft?
1. Ein Ballon mit kalter Luft bekommt einen Auftrieb. Der Ballon fliegt nicht, da das Gewicht der Hülle größer ist.
2. Ein Ballon mit heißer Luft dehnt sich aus. Der Auftrieb steigt durch das größer werdende Volumen und irgendwann ist der Auftrieb größer als der Gewicht des Ballons. Er beginnt zu schweben.
Übrigens: ein Ballon würde am Mond nicht fliegen, da es keine Atmosphäre gibt, deren Druck nach oben hin abnimmt. Es entsteht kein Auftrieb.
Ein Flugzeug fliegt, wenn sein Antrieb größer ist als der Luftwiderstand. Der Auftrieb muss größer sein als das Gewicht des Flugzeugs. Der Auftrieb entsteht, wenn es sich mit seinen Tragflächen in der Luft bewegt. Wir sprechen von dynamischem Auftrieb.
Vier Kräfte stehen beim Fliegen in Konkurrenz. Diese Kräfte sind in Wirklichkeit nicht so klar getrennt, wie es in der Zeichnung aussieht. Sie hängen stärker zusammen, als es die Zeichnung zeigen kann.
Dynamischer Auftrieb entsteht, indem sich das Flugzeug durch die Luft bewegt. Es stellt die Tragflächen an. Das bedeutet, die Tragflächen werden vorne nach oben gekippt.
Ein Flugzeug ohne Antrieb steht am Boden.
Unter Fliegen verstehen wir hier nicht den Start oder die Landung, sondern den Reiseflug. Gleichmäßig. In der Luft.
Ein Flugzeug fliegt nicht…
○ ohne Flügel
○ ohne Luft
○ ohne Geschwindigkeit
○ ohne Anstellwinkel der Flügel
○ ohne geeignete Steuerung
Ein Flugzeug fliegt, wenn
◉ es Flügel hat
◉ es Luft gibt
◉ es schnell genug ist
◉ die Flügel angestellt werden
◉ es passend gesteuert wird
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Wie es zum dynamischen Auftrieb ganz genau kommt?
Je verständlicher die Erklärung ist, desto falscher. Das ist leider so, soll uns aber nicht daran hindern, die verschiedenen Erklärungen genauer anzusehen. Was sicher stimmt, ist folgendes:
Die Luft vor dem Flugzeug kommt gerade daher. Nach dem Flugzeug strömt sie nach unten weg. Weil nicht einfach etwas entstehen darf, was nach unten geht, muss eine Kraft entstehen, die das aufhebt. Der Auftrieb.
Das Flugzeug schafft, Luft, die von vorne kommt, nach unten abzulenken. Daraus entsteht der Auftrieb.
Ein positiver Anstellwinkel vergrößert den dynamischen Auftrieb.
Wikipedia Stichworte: Flugzeug, dynamischer Auftrieb, Stromlinien, Bernoulli-Effekt, Magnus-Effekt, Coanda-Effekt, Zirkulation, Wirbel, Erhaltungssätze, Impulserhaltung, Satz von Jutta-Joukovski, Tragfläche
Das ist die Newton’sche Erklärung.
Was richtig ist:
◉ der Anstellwinkel ist notwendig
Was nicht richtig ist:
○ der Auftrieb wird nur durch die Luft an der Unterseite des Flügels erzeugt
○ unterschiedliche Oberseiten sind egal – immer gleicher Auftrieb
Was nicht erklärt werden kann:
◉ durch ein aufsteigendes Flugzeug wird Abwind erzeugt, der nicht erklärt werden kann
◉ unterschiedliche Oberseiten ergeben unterschiedlichen Auftrieb
◉ Spoiler (aufgestellte Platten) entlang der Oberseite der Flügel den Auftrieb verändern können
Richtig wäre:
◉ wir müssen auch die Oberseite mit einbeziehen
◉ Auftrieb wird durch alles erzeugt, was den Luftfluss nach unten ablenkt
◉ auch durch die Oberseite wird der Luftfluss nach unten abgelenkt – sogar mehr
Was wir sicher sagen können:
Auftrieb entsteht durch alles, was die Luft nach unten ablenken kann. Das Flugzeug erhält eine Kraft nach oben, mit der es sein Gewicht aufheben kann. Das Ganze erfolgt dynamisch – in Bewegung.
Hinweis: Ganz falsch ist die Newton’sche Erklärung nicht. Bei hohen Geschwindigkeiten und geringer Luftdichte können nur wenige Teilchen in Kontakt mit der Oberseite der Tragfläche kommen, das meiste passiert unter der Tragfläche und die Vorhersagen stimmen – ein Space Shuttle in 50 Meilen Höhe und 10.000 mph beim Wiedereintritt.
Eine zweite Erklärung ist ebenso nicht ganz richtig. Sie wird Venturi-Theorie genannt. Beim Fluss von Gas oder Flüssigkeit durch ein Rohr steigt die Geschwindigkeit, wenn das Rohr schmäler wird (Venturi Nozzle). Paradoxerweise sinkt der Druck in schnelleren Strömungen. Der „Satz von Bernoulli“ beschreibt das Phänomen: „In schnelleren Strömungen herrscht Unterdruck.“ An der Oberfläche der Tragfläche verdichtet sich durch die Wölbung die Luftströmung. „Der Luftdruck sinkt, das Flugzeug wird nach oben gesaugt.“ – so die falsche Theorie.
Was richtig ist:
◉ Unterdruck an der Oberseite
◉ Die gekrümmte Oberfläche behindert den Luftstrom (Strömungslinien werden verdichtet)
Was nicht richtig ist:
○ Der Unterdruck an der Oberfläche ist groß genug, das Flugzeug fliegen zu lassen
○ Die Oberseite ist keine Venturi-Nozzle, wo ist die obere Seite?
○ Die Luft strömt nicht oben und unten gleich vorbei, wie gerne gesagt wird, um die höhere Geschwindigkeit oben (längerer Weg, gebogen) zu erklären, und dann Bernoulli mit dem Unterdruck zu bemühen.
Was nicht erklärt werden kann:
◉ Kunstflugzeuge können auch am Rücken fliegen – die würden abstürzen
◉ Die Vorhersage ist allgemein falsch für eine flache Platte als Flügel
◉ unterschiedliche Unterseiten ergeben unterschiedlichen Auftrieb
Richtig wäre:
◉ Auch die Erhaltung von Masse spielt eine Rolle, nicht nur die Impulserhaltung (Newton) und Erhaltung der Energie (Bernoulli)
Was wir sicher sagen können:
Der Satz von Bernoulli beschreibt richtig, dass in schnell strömenden Fluiden ein Unterdruck herrscht.
Hinweis: Die Annahme ist falsch, dass die gekrümmte Oberfläche die Geschwindigkeitsänderung bewirkt. Ab dann wäre Bernoulli mit seiner Erklärung schon richtig. Ingesamt: Die Vorhersage stimmt auch in der zweiten falschen Erklärung nicht.
Das ist eine ziemlich richtige Erklärung, wenn auch nicht sehr verständlich. Es entsteht eine Zirkulation – ein Wirbel – rechtsherum um den Flügel, wenn sich ein Wirbel linksherum an der Flügelkante ablöst und zurückbleibt. Helmholtzsche Wirbelsätze. Das Ganze kann mit einem Vektorfeld berechnet werden. In den Stromlinien liegt die gesamte Information für den Auftrieb. Es gibt einen Erhaltungssatz für Wirbel. Links- und- rechtsherum muss sich ausgleichen.
Problematisch: zweidimensional stimmt das alles (Flügelquerschnitt), dreidimensional nicht mehr ganz (der Flügel ist ja auch ziemlich lang).
Eine vierte Erklärung erfolgt durch Druckunterschiede der strömenden Luft an der Ober- und Unterseite einer gewölbten Tragfläche. Über die Richtung und die Länge der Pfeile in der folgenden Zeichnung müssten wir noch diskutieren – wesentlich ist aber der Unterschied. Oben ist weniger Luftdruck als unten. Unten gewinnt. Die Differenz ist der Auftrieb – der das Flugzeug leichter macht.
Alles was den Luftstrom dreht, verursacht den dynamischen Auftrieb. Den brauchen wir, weil er das Gewicht des Flugzeugs aufhebt.
Eine Analyse der verschiedenen Erklärmodelle gibt es hier von Rita Wodzinski im Plus Lucis Magazin. Der Artikel ist für Lehrer:innen interessant, wir werden in hier vermutlich nicht vollständig verstehen.
Drei Achsen sind für den stabilen Flug von großer Bedeutung. Drei Arten von Ruder können den Luftstrom umlenken, sodass eine Drehung um die entsprechende Achse bewirkt wird.
Rollen, nicken, gieren. Versuchen Sie, sich diese Bewegungen vorzustellen.
Die Ruder des Flugzeugs verändern die Luftströmungen.
Auf die relative Windgeschwindigkeit kommt es an.
Text, Fotos, Illustrationen: Lothar Bodingbauer
Quelle/Hintergrund: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/
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Das Schiff schwimmt, weil es eine bauchige, voluminöse Form hat. Ein zusammengeknülltes Schiff würde sinken. Auch ein Schiff in flacher Brettform würde untergehen, wenn es nicht aus leichtem Material gebaut ist. Durch die voluminöse Form des Schiffes wird im Wasser ein Auftrieb erzeugt, der seinem Gewicht entgegenwirkt. Ist der Auftrieb größer als das Gewicht, schwimmt das Schiff oben an der Wasseroberfläche.
Das Fahrrad ist keine klassische Erfindung wie die Glühbirne oder der Ottomotor. Das Fahrrad hat sich evolutionär entwickelt. Beginnend bei den Laufrädern wurden irgendwann einmal Pedale angeschraubt, die Kette mit dem Hinterrad verbunden, die Gangschaltung entwickelt. Das optimale Endergebnis ist der so genannte Doppeldreiecksrahmen. Aber sind vielleicht Liegeräder besser? Vermutlich nein, denn sonst würde jeder damit fahren.
hhttps://www.phyx.at/podcastaudio/fahrrad.mp3
Sie fahren mit Ihrem Ruderboot oben am Fluss dem Wasserfall zu. Leider haben Sie es verabsäumt, rechtzeitig umzukehren und müssen nun miterleben, wie das Boot, Ihr Hut, die Angelrute, und Sie selbst nach unten fallen. Auch das Wasser fällt. Was von allen diesen Dingen kommt zuerst ganz unten an? Anders gefragt: wird es Ihnen gelingen, den Wasserfall fallend zu überholen?
