wie entsteht der Unterdruck beim Flugzeug?

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11 Antworten

Fakt ist zunächst einmal, dass alle "Standardflugzeuge", egal ob Businessflieger oder A380, und selbst Militärmaschinen, gewölbte Tragflächen haben - und dafür muss es einen aerodynamischen Grund geben, denn sonst würden sich die Konstrukteure seit Lilienthal nicht damit beschäftigen.

Der Hauptgrund ist ein Prinzip, das nach seinem Entdecker, dem Schweizer Physiker Bernoulli, benannt ist, der "Bernoulli-Effekt". Vereinfacht heißt das auf deutsch: In einer verengten oder erweiterten Stromröhre sind die durchströmenden Volumina konstant. Die Verengung ist hier die Wölbung der Tragfläche bis hin zur freien Strömung.

Da immer die gleiche Luftmenge von vorne am Flügel ankommt, muss die auf der Oberfläche anliegende Luft schneller strömen, denn sie muss Platz für die nachfolgenden Luftteilchen machen.

Das ist die Standardfolklore. Jetzt gibt es noch zwei Effekte, die eine Rolle spielen:

1) Die Tragfläche ist leicht gegen die Flugzeuglängsachse nach oben geneigt und angebracht. Diese Konstruktion nennt man "Einstellwinkel" und durch ihn gibt es gem. dem Newton'schen Bewegungsaxiom "actio = reactio" einen Druck nach oben.

2) Der große Houdinitrick mit der schnelleren Strömung. An der Hinterkante der Fläche entsteht ein Wirbel, der sich nach oben vorne "eindreht". Dadurch entsteht hier "am Ende" der Oberseite ein Unterdruck, der für die schnellere Strömung verantwortlich ist.

Und schnellere Strömung bedeutet nun einmal Unterdruck und damit Sog. Und der zieht das Flugzeug nach oben. Die Summe aus Sog (oben) und Druck (unten) ist der "Auftrieb". Und nur, wenn sich Auftrieb und Gewicht die Waage halten, fliegt das Flugzeug geradeaus und nicht hoch oder runter.

Insofern ist das oft vorgebrachte Argument, die Wölbung spiele keine Rolle, nicht ganz richtig. Der Beweis: In der Praxis sind alle Tragflächen von Verkehrsflugzeugen gewölbt - und zwar auf der Oberseite. Dass aber alle Konstrukteure weltweit keinen Plan von Aerodynamik haben, kann man wohl verneinen.

So, bleibt die Frage, woher die Aussage kommt, dass die Wölbung keine Rolle spielt. Sie ist ja nicht ganz falsch, ist aber ein Grenzfall der aerodynamischen Konstruktion, vor allem bei Kunstflugmaschinen oder auch Experimentalflugzeugen. Hier wird Aerodynamik fast immer durch Triebwerksleistung ersetzt.

Damit ist auch klar, dass ich auch eine ebene Platte nehmen kann oder ein symmetrisches Profil, denn dann ist ja die Strömung oben und unten gleich bzw. hängt nur noch vom Ein- und Anstellwinkel ab. Der Einstellwinkel (Tragfläche zu Flugzeugrumpf) ist konstruktionsbedingt vorgegeben, der Anstellwinkel (Flugzeuglängsachse zur Anströmrichtung) wird mit dem Steuerknüppel beeinflusst.

Außerdem fehlt in den Aussagen immer eine Erklärung, warum man unter Schweiß und Tränen der Tragfläche eine gewölbte Form gibt und nicht einfach eine Metallplatte aus dem Baumarkt nimmt ;-) 

Flugabwehrraketen z. B. haben nur Stummelflügel für die Steuerung, werden aber ansonsten auf ihrer gestreckten Flugbahn nur durch den Antrieb in der Luft gehalten.

Es gilt immer noch das erste Grundgesetz der Aerodynamik: 

"Auch ein Toilettenhäuschen kann fliegen, wenn das Triebwerk stark genug ist."

Ansonsten braucht auch ein Dixiklo eine Tragfläche zur Unterstützung. 

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Kommentar von Franz1957
05.05.2016, 18:16

Wenn wir schon von Lilienthal reden: Seine Profile hatten die Profildicke Null. So wie Drachen und Schiffssegel auch. Sie hatten ebensoviel Hohlwölbung unten wie Wölbung oben. Das heißt, in den Begriffen der Standardfolklore: Der Weg der Luft ist obenherum genau gleich weit wie untenherum. Die übliche Erklärung funktioniert hier nicht.

Lilienthal selbst hatte dieses Problem nicht. Er hatte andere und gute Erklärungen. Die Entstehung des Auftriebs erklärt er mit dem Impuls (damals als "lebendige Kraft" bezeichnet), den die nach unten gelenkte Luft erhält. Den Vorteil der Wölbung gegenüber der ebenen Platte sieht er in dadurch weniger ruckhaften Weise, die Luft nach unten zu beschleunigen und in der Vermeidung von Wirbeln.

Siehe in seinem Buch in den Kapitel 23 bis 25. Ich zitiere von den Seiten 81-83. (Das heute nur noch selten zu sehende ſs ist eine ältere Form des ß.)

Die an den Flächen vorbeistreichende Luft erhält in beiden Fällen eine nach unten gerichtete Beschleunigung; denn die unter die Flächen treffende Luft muſs unter den Flächen hindurch und die über den Flächen vorbeistreichende Luft muſs unbedingt den geneigten Raum oberhalb der Flächen ausfüllen. [...] Die Ablenkung des Luftstromes nach unten geschieht bei der ebenen Fläche zumeist an der Vorderkante, und zwar plötzlich. Hierbei tritt eine Stoſswirkung auf, welche wiederum zur Bildung von Wirbeln Veranlassung giebt. [...]
Ganz andere Erscheinungen treten nun aber bei der gewölbten Fläche auf. Der auf diese Fläche treffende Luftstrom wird ganz allmählich aus seiner horizontalen Richtung abgelenkt und nach unten geführt. Derselbe erhält nach und nach, und zwar möglichst ohne Stoſs eine nach unten gerichtete Geschwindigkeit. Man sieht ohne weiteres, daſs nur die schwach und glatt gewölbte Fläche, besonders wenn die Tangente zur Vorderkante genau in die Windrichtung steht, die an ihr vorbeistreichende Luft möglichst ohne Wirbel mit einer Geschwindigkeit nach unten entlassen wird, und zwar in einer Richtung, welche gewissermaſsen der nach unten gerichteten Tangente des letzten Flächenstückes entspricht. [...]
Der nach unten gerichtete Bestandteil der lebendigen Kraft der Luftteilchen nach Verlassen der Fläche ist maſsgebend für den nach oben gerichteten auf die Fläche ausgeübten Druck.

http://www.deutschestextarchiv.de/book/show/lilienthal_vogelflug_1889

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Mach doch mal folgenden Versuch, dann weißt du, wo der Unterdruck herkommt (auf Anhang downloaden klicken):

https://22583447-a-62cb3a1a-s-sites.googlegroups.com/site/pflegefibelschlafapnoe/-k-ein-thema-fuer-die-pflege/Bernoulli%20Effekt.jpg?attachauth=ANoY7cqCWfMWlgPoIMdJCZckuqdo8kzt6JtiFfyx9Gq-yNtDj3SozeuBgjY1y8GNAewRQpAUD6LCzpOywN\_4sOxPS0moUH41eZLanklTX7gQwxLBGbHLtg\_U\_1nCbnrhyS3znwJMM2HPUON-NIFODtjFNcFQU\_J8orL3FsS2wGUuxqDGWWJsDRhLUFCa-QGgjMgsxc46j58HIMbS6vYhvMi9XffyrGPAer\_Imw\_joKhNMmN1K3e6xkpjE7u-AhMa5xGDeP96imvWFwSgBBQgDtz32LYGJxx7Pg%3D%3D&attredirects=0

Wenn du zwischen die beiden Blätter Papier pustest, gehen die nicht auseinander, sondern zusammen, weil ein Unterdruck erzeugt wird. Das Papier wirkt wie eine Tragfläche an der Oberseite. Weils zwischen dem Papier eng wird, wird die Luft beschleunigt. Je schneller sie fließt, umso weniger Druck hat sie.


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Du hast darum gebeten, so zu schreiben, daß es eine Realschülerin versteht. Es wäre schön, wenn das immer ginge, aber manche Sachen sind so schwierig, daß auch Leute mit Abitur und selbst physikalisch gebildete Leute sie nicht verstehen oder falsche Erklärungen dafür im Kopf haben, deren Vorteil nur darin besteht, daß sie einfach genug sind.

Die Frage, wie die Tragfläche des Flugzeugs funktioniert, ist eine dieser Sachen. Sie ist wirklich schwer zu verstehen, und das macht es auch verständlich, wieso die Meisten falsche Erklärungen glauben, obwohl man verhältnismäßig leicht sehen kann, daß diese Erklärungen falsch sind.

Die meist gegebene Erklärung ist die, wonach die Luft auf der Oberseite des Flügels sich beeilen müsse, weil sie einen längeren Weg zurückzulegen hätte und, so die unausgesprochene Voraussetzung dabei, irgendwie unter Zeitdruck stünde, damit sie sich nicht verspätet. Nichts davon stimmt.

Erstens strömt die Luft oben sogar noch schneller als sie "müßte", wenn es darum ginge, nicht von der Luft unten nicht abhängen zu lassen. Tatsächlich ist der Luft oben natürlich vollkommen egal, ob sie früher oder später als die Luft unten an der Hinterkante des Flügels ankommt.

Zweitens strömt die Luft oben auch dann schneller als unten, wenn der Weg oben und unten gleich weit ist. Z.B. wenn der Flügel ein symmetrisches Profil hat, also oben und unten genau gleich stark gewölbt ist, oder bei einem Flügel, der dünn ist wie bei einem Gleitschirm oder Hängegleiter, oder bei einem vollkommen flachen Papierdrachen.

Eine zutreffende Erklärung für den Auftrieb des Flügels ist das Prinzip der Impulserhaltung und die Tatsache, daß der Flügel Luft nach unten schubst. Dies ist aber nur eine Bilanzbetrachtung, bei der man sieht, daß zwei beteiligte Größen im Gleichgewicht miteinander sind und die sache sozusagen mit rechten Dingen zugeht und physikalisch zulässig ist. Deine eigentliche Frage, wie der Unterdruck an der Flügeloberseite zustande kommt, beantwortet es nicht. Und das zu beantworten ist wirklich nicht einfach.

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Kommentar von AnyBody345
04.05.2016, 16:04

Du hast recht , wenn man recht bedenkt flog die Concorde mit ihren Deltaflügeln auch . Es ist eine Frage das Einstellwinkels. Ich hatte meine Erklärung wie du beschrieben hast gegeben, weil mir das so in der Ausbildung beigebracht wurde von dem Lehrer. Dies erschien mir logisch also habe ich es nicht weiter hinterfragt.

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Kommentar von ramay1418
04.05.2016, 22:08

"Nichts davon stimmt." Kann sein, muss aber nicht. 

Das würde ja bedeuten, dass die Theorie - und die Praxis - seit über 100 Jahren nicht stimmt. Da kommen aber leise Zweifel auf, denn noch immer wird bei der Ausbildung von Flugzeugmechanikern und Piloten das Auftriebsprinzip anhand von Bernoulli erklärt. 

Vorbild ist hier vor allem der Segelflugzeugbau, bei dem die Aerodynamik ja eine große Rolle spielt. Dann wären alle Lehrbücher falsch. Kann sein, ist aber kaum zu glauben. 

Sollten alle diese Praktiker wirklich Unrecht haben? Wozu konstruiert man dann eine annähernd wie ein Vogelflügel geformte Tragfläche? Das könnte man sich doch sparen. 

Gibt es dazu eine nachvollziehbare Erklärung? 

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Unterdruck im Innern? Die Tragflächen sind für das Fliegen verantwortlich. 

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Kommentar von MuddinTheGreat
04.05.2016, 14:43

Ein Flugzeug fliegt durch Unter- und Überdruck, der sich an den Flügeln aufbaut. Der Unterdruck zieht das Flugzeug an den Flügeln nach oben. Der Überdruck drückt den Flügel von unten nach oben.

Der Kabinendruck wird zum Fliegen nicht benötigt. Ist aber Lebenserhaltend und passt sich der Flughöhe an. Den hast du aber bei Sportflugzeugen gar nicht. Die Fliegen aber trotzdem ;-)

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Du meinst vermutlich die Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Flugzeugtragfläche. Siehe dazu Bernulli-Effekt, z.B. bei https://www.planet-schule.de/warum/fliegen/themenseiten/t4/s3.html .

Siehe auch hier die Erklärung von MuddinTheGreat.

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Kommentar von Franz1957
04.05.2016, 15:21

...die Erklärung von MuddinTheGreat stimmt nur leider nicht.

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Google einmal nach dem Magnuseffekt. Das Prinzip des Auftrieb ist beim Flächenflugzeug sehr ähnlich. Wenn du den verstanden hast, dann steht dem Verständnis des Tragflügel nichts im Wege.

Auch die Theorie des Ludwig Prandtl erklärt anschaulich das Zustandekommen einer Zirkulationsströmung durch Überlagerung der Parallelströmung.

Die Auftriebsberechnung nach Kutta und Joukowsky berücksichtigt die Zirkulationsströmung.

Oberseite v - vz

Unterseite v + vz

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Durch das Tragflächenprofil. Die Tragflächen sind nach oben hin gewölbt. Somit hat die Luft über der Tragfläche einen längeren weg als unter der Tragfläche. Ergo strömt sie über die Tragfläche schneller als und unter der Tragfläche um die Differenz hinter der Tragfläche auszugleichen. Deswegen spricht man von ca. 70% sog über der Tragfläche und 30% trieb unter der Tragfläche.... Bitte zählt das Wort "Tragfläche" 😂😂😂

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Kommentar von Franz1957
04.05.2016, 15:26

Anscheinend hat hier so gut wie jeder diese falsche Erklärung gelernt. Daß die Tragflächen nach oben hin gewölbt sind oder stärker gewölbt sind, trifft gar nicht generell zu und hat mit dem Unterdruck nichts zu tun. Er entsteht auch bei anderen Profilen, bei denen der Weg oben und unten herum gleich lang ist. Siehe meine Antwort an MuddinTheGreat.

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Kommentar von AnyBody345
04.05.2016, 16:05

Siehe Kommentar zu deiner Antwort

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Druck und Unterdruck in der Strömungslehre entsteht durch unterschiedliche Luftgeschwindigkeiten. Bei einer Tragfläche ist die Oberseite gewölbt. Die Luft hat da einen längeren Weg zurückzulegen, als auf der Unterseite. Deshalb ist die Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite höher. Höhere Geschwindigkeit bei gleicher Luftmenge ergibt einen Unterdruck relativ zur Unterseite, der senkrecht zur Tragfläche nach oben wirkt, und somit Auftrieb erzeugt.

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Kommentar von Sarahxdrew
04.05.2016, 14:27

Bitte so schreiben, dass es eine Realschülerin versteht. Danke ☺️

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Kommentar von Franz1957
04.05.2016, 15:19

Diese Erklärung stimmt nicht. Die Luft hat bei asymmetrischen Profilen oben einen längeren Weg zurückzulegen, aber niemand sagt ihr, daß sie dabei eine bestimmte Zeit einhalten müßte. Bei symmetrischen Profilen oder bei Hängegleitern und Drachen ist der Weg oben und unten genau gleich lang, und es funktioniert trotzdem.

Siehe meine Antwort an MuddinTheGreat.

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möglicherweise verstehst du die Erklärung in dem Video

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Der Flügel ist gewölbt. Die Luft muss daher an der Oberseite schneller am Flügel vorbei, als an der Unterseite.

Dadurch entsteht auf der unteren Seite des Flügels ein Überdruck, der das Flugzeug nach oben drückt.

Luft: kürzerer Weg = kleinere Geschwindigkeit = Überdruck

Auf der oberen Seite des Flügels entsteht ein Unterdruck oder Sog, der das Flugzeug nach oben zieht.

Luft: längerer Weg = höhere Geschwindigkeit = Unterdruck

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Kommentar von Franz1957
04.05.2016, 15:09

Die Luft muss daher an der Oberseite schneller am Flügel vorbei, als an der Unterseite.

Nein, deshalb muß sie nicht. Nichts zwingt sie dazu, gleichzeitig mit der Luft, die unten herum strömt, an der Hinterkante des Flügels anzukommen. Und, wie man bei Windkanalaufnahmen sehen kann, kommt sie dort sogar noch früher an.

https://www.youtube.com/watch?v=UqBmdZ-BNig

Bei einem einfachen gewölbten Blech, wo der Weg der Luft oben wie unten genau gleich lang ist, entsteht der Unterdruck übrigens auch oben. Sogar bei einem flachen, schräg angestellten Brett. Der Grund für die höhere Geschwindigkeit und für den Unterdruck an der Oberseite ist also nicht der längere Weg.

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In Physik geschlafen? Durch die Form der Tragflächen.

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Kommentar von Sarahxdrew
04.05.2016, 14:26

Ich schlafe generell gerne in Naturwissenschaften ein 

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