Theorien in der Erzeugung von Auftrieb - Theories in the Production of Lift
Um in einer Maschine fliegen zu können, die schwerer als Luft ist, müssen wir mehrere Hindernisse überwinden. Eines dieser zuvor besprochenen Hindernisse ist der Bewegungswiderstand, der als Luftwiderstand bezeichnet wird. Das schwierigste Hindernis, das es in der Luftfahrt zu überwinden gilt, ist jedoch die Schwerkraft. Ein Flügel, der sich durch die Luft bewegt, erzeugt die Kraft, die als Auftrieb bezeichnet wird, die ebenfalls zuvor besprochen wurde. Der Auftrieb des Flügels, der größer als die Schwerkraft ist und entgegen der Schwerkraftrichtung gerichtet ist, ermöglicht das Fliegen eines Flugzeugs. Die Erzeugung dieser als Auftrieb bezeichneten Kraft basiert auf einigen wichtigen Prinzipien, den grundlegenden Bewegungsgesetzen von Newton und dem Bernoulli-Prinzip des Differenzdrucks.
Newtons grundlegende Bewegungsgesetze
Die Formulierung des Auftriebs war historisch gesehen eine Anpassung grundlegender physikalischer Gesetze in den letzten Jahrhunderten. Obwohl diese Gesetze anscheinend auf alle Aspekte des Auftriebs anwendbar sind, erklären sie nicht, wie der Auftrieb formuliert wird. Tatsächlich muss man die vielen Tragflächen berücksichtigen, die symmetrisch sind und dennoch einen signifikanten Auftrieb erzeugen.
Die grundlegenden physikalischen Gesetze, die die Kräfte regeln, die auf ein Flugzeug im Flug einwirken, wurden von postulierten Theorien übernommen, die entwickelt wurden, bevor ein Mensch erfolgreich ein Flugzeug flog. Die Verwendung dieser physikalischen Gesetze entstand aus der wissenschaftlichen Revolution, die im 17. Jahrhundert in Europa begann. Angetrieben von der Überzeugung, dass das Universum in einer vorhersehbaren Weise funktioniert, die für das menschliche Verständnis offen ist, verbrachten viele Philosophen, Mathematiker, Naturwissenschaftler und Erfinder ihr Leben damit, die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln. Einer der bekanntesten war Sir Isaac Newton, der nicht nur das Gesetz der universellen Gravitation formulierte, sondern auch die drei Grundgesetze der Bewegung beschrieb.
Newtons erstes Gesetz: „Jedes Objekt verharrt in seinem Zustand der Ruhe oder gleichförmigen Bewegung in einer geraden Linie, es sei denn, es wird durch auf es ausgeübte Kräfte gezwungen, diesen Zustand zu ändern.“
Das bedeutet, dass nichts beginnt oder aufhört sich zu bewegen, bis eine äußere Kraft es dazu veranlasst. Ein auf der Rampe ruhendes Flugzeug bleibt ruhend, es sei denn, es wird eine Kraft aufgebracht, die stark genug ist, um seine Trägheit zu überwinden. Sobald es sich bewegt, hält seine Trägheit es in Bewegung, abhängig von den verschiedenen anderen Kräften, die auf es einwirken. Diese Kräfte können seine Bewegung verstärken, verlangsamen oder seine Richtung ändern.
Newtons zweites Gesetz: „Kraft ist gleich der Impulsänderung pro Zeitänderung. Bei konstanter Masse ist Kraft gleich Masse mal Beschleunigung.“
Wenn auf einen Körper eine konstante Kraft einwirkt, ist die resultierende Beschleunigung umgekehrt proportional zur Masse des Körpers und direkt proportional zur aufgebrachten Kraft. Dies berücksichtigt die Faktoren, die an der Überwindung des ersten Newtonschen Gesetzes beteiligt sind. Es umfasst sowohl Richtungs- als auch Geschwindigkeitsänderungen, einschließlich Anfahren aus dem Stillstand (positive Beschleunigung) und Anhalten (negative Beschleunigung oder Verzögerung).
Newtons drittes Gesetz: „Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.“
In einem Flugzeug bewegt sich der Propeller und drückt die Luft zurück; Folglich drückt die Luft den Propeller (und damit das Flugzeug) in die entgegengesetzte Richtung – nach vorne. In einem Düsenflugzeug drückt das Triebwerk eine Explosion heißer Gase nach hinten; Die Kraft der gleichen und entgegengesetzten Reaktion drückt gegen den Motor und zwingt das Flugzeug nach vorne.
Bernoullis Prinzip des Differenzdrucks
Ein halbes Jahrhundert, nachdem Newton seine Gesetze formuliert hatte, erklärte der Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli, wie sich der Druck eines sich bewegenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) mit seiner Bewegungsgeschwindigkeit ändert. Das Bernoulli-Prinzip besagt, dass mit zunehmender Geschwindigkeit einer sich bewegenden Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) der Druck in der Flüssigkeit abnimmt. Dieses Prinzip erklärt, was mit Luft passiert, die über die gekrümmte Oberseite des Flugzeugflügels strömt.
Eine praktische Anwendung des Bernoulli-Prinzips ist das Venturi-Rohr. Das Venturirohr hat einen Lufteinlass, der sich zu einem Hals (Einschnürung) verengt, und einen Auslassabschnitt, der sich nach hinten im Durchmesser vergrößert. Der Durchmesser des Auslasses ist derselbe wie der des Einlasses. Die Luftmasse, die in das Rohr eintritt, muss genau gleich der Masse sein, die das Rohr verlässt. An der Verengung muss die Geschwindigkeit zunehmen, um in der gleichen Zeit die gleiche Luftmenge wie in allen anderen Rohrteilen passieren zu lassen. Wenn die Luft beschleunigt wird, nimmt auch der Druck ab. Hinter der Verengung verlangsamt sich der Luftstrom und der Druck steigt.
Da Luft als ein Körper erkannt wird und davon ausgegangen wird, dass Luft den obigen Gesetzen folgt, kann man beginnen zu sehen, wie und warum ein Flugzeugflügel Auftrieb entwickelt. Wenn sich der Flügel durch die Luft bewegt, erhöht sich die Geschwindigkeit des Luftstroms über die gekrümmte Oberseite, wodurch ein Niederdruckbereich entsteht.
Obwohl Newton, Bernoulli und Hunderte anderer früher Wissenschaftler, die die physikalischen Gesetze des Universums untersuchten, nicht über die hochentwickelten Labors verfügten, die heute zur Verfügung stehen, lieferten sie einen großartigen Einblick in die zeitgenössische Sichtweise, wie Auftrieb erzeugt wird.
