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physik artikel (Interpretation und charakterisierung)

Der auftrieb


1. Atom
2. Motor

Ein Flugzeug benötigt, um fliegen zu können, eine der Erdanziehung entgegen gerichtete Kraft, da es ,,schwerer" als die umgebende Luft ist. Dies erreicht man durch das Profil der Tragfläche. Die Oberseite einer Tragfläche ist gewölbt, die Unterseite dagegen gerade bzw. leicht gewölbt. Das heißt die anströmende Luft, die sich vor der Fläche teilt, hat an der Oberseite einen weiteren Weg zurückzulegen und muß daher schneller strömen als an der Unterseite. Durch diese Geschwindigkeitsdifferenz kommt ein Druckunterschied zustande. Das heißt der Druck an der Oberseite ist geringer, dies bewirkt das der Flügel gehoben wird (Auftrieb). Verstärkt wird dieses Strömungsverhalten durch eine Sekundärwirkung, die den Druckunterschied weiter vergrößert: Nachdem die Luft über die Tragfläche geströmt ist, entsteht an ihrer Hinterkante ein Wirbel. Ein Gesetz der Aerodynamik besagt, daß jeder Wirbel einen Gegenwirbel erzeugt, der sich entgegengesetzt dreht. Unter der Tragfläche stößt die rotierende Luft zusammen. Die Geschwindigkeit der Luftströmung nimmt ab, wodurch der Druck unter dem Flügel zunimmt. Über der Tragfläche bewegen sich beide Luftströmungen gleichgerichtet, und ihre kombinierte Geschwindigkeit bewirkt eine Druckverminderung . Dadurch verstärkt sich der Auftrieb. Der Auftrieb der eine Tragfläche erzeugt ist einerseits konstruktionsbedingt, kann aber auch durch den Piloten beeinflußt werden. Durch eine Steigerung der Triebwerksleistung wird die Geschwindigkeit und damit der Auftrieb erhöht, weil mit zunehmender Geschwindigkeit auch die Druckdifferenz wächst. Ein weiterer vom Piloten kontrollierter Aspekt ist der Winkel zwischen Tragfläche und der Anströmrichtung der Luft der sogenannte Anstellwinkel. Bei einem Anstellwinkel von über 14° wird der Luftstrom zuerst turbolent und reißt schließlich. Auf diese Weise geht der Auftrieb verloren. Man nennt dies den "überzogenen" Flugzustand, welcher auch zum Absturtz führen kann. Das Abreißen der Strömung bei einem solchen ,,überzogenen" Flugzustand führt zum Zusammenbrechen des Auftriebs und zum raschen Höhenverlust bzw. zum seitlichen Abkippen des Flugzeugs.
In der Luft entsteht infolge der Reibung noch Widerstand. Die Profile werden so gewählt, daß sie der vorbeiströmenden Luft einen möglichst kleinen Widerstand bieten und gleichzeitig der sog. Auftriebsbeiwert den gegebenen Anforderungen entspricht. Der Auftriebsbeiwert ist eine dimensionslose Größe (CA), die von der Form des Profils, seinem Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit abhängt und wird am Tragflächenmodell im Windkanal ermittelt. Über das Verhältnis von Auftrieb (CA) zu Widerstand (CW) gibt die CA/cw-Kurve für verschiedene Anstellwinkel Auskunft. Im der optimale Anstellwinkel für den Reiseflug liegt im allgemeinen bei etwa 4°. Der Auftrieb nimmt mit dem Quadrat der Anströmgeschwindigkeit zu, d.h. bei doppelter Anströmgeschwindigkeit steigt der Auftrieb auf den vierfachen Wert. Aus diesem Grund kommen Hochgeschwinigkeitsflugzeuge mit relativ kleinen Tragflächen aus. Um einen hinreichend großen Auftrieb zu erhalten, ist also eine bestimmte Anströmgeschwindigkeit der Tragflächen, d. h. ein bestimmter Vortrieb des Flugzeugs erforderlich. Er wird durch den vom Flugzeugmotor angetriebenen Propeller (Luftschraube) geliefert oder durch die Schubkraft von Strahltriebwerken.


1.2 Der Flugzeugaufbau
Man kann das Flugzeug nach den äußeren Merkmalen, die bei jedem Flugzeug (bis auf einige Ausnahmen) vorhanden sind in vier Baugruppen unterteilen: Rumpf, Tragflächen, Leitwerk, Fahrwerk

1.2.1 Rumpf
In der Anfangszeit des Flugwesens war der Rumpf nur ein offener Flugzeugkörper zum Tragen der anderen Bestandteile des Flugzeuges. Später führte der Wunsch nach größerer Stabilität und höherer Leistung zur Entwicklung von geschlossenen, Rümpfen, die den Strömungswiderstand verringerten.
Heute ist Hauptaufgabe des Rumpfes die Nutzlast aufzunehmen.

1.2.2 Tragflächen
Eigentlich sind die Tragflächen nicht am Rumpf befestigt, sondern der Rumpf wird um die Tragfläche gebaut. Die Tragfläche besteht aus einem Stück! Neben der Aufgabe für Auftrieb zu sorgen, sind in ihr eine Menge von Hydraulik Systemen für Klappenfunktionen und Querruder (siehe ...). Der größte Teil ihres Volumens ist jedoch für den Treibstoff.
Deutlich demonstriert wird die konstruktive Bedeutung der Tragfläche bei der Entwicklung des so genannten Nurflügelflugzeuges, ein Luftfahrzeug, bei dem Rumpf und Leitwerk nahezu ganz verschwunden sind.

1.2.3 Leitwerk
Es besteht aus zwei Ruderflächen, einer waagerechten und einer senkrechten Fläche. Diese sind nötig um das Flugzeug zu stabilisieren. Zudem sind am Leitwerk noch das Seiten- und Höhenruder angebracht, um das Flugzeug steuern zu können.


1.2.4Fahrwerk
Zu seinen Bauteilen gehören das Fahrwerkfederbein, ein hydraulisches Bein, welches das Rad mit der Tragfläche oder dem Rumpf verbindet, um die Erschütterung bei der Landung zu dämpfen; der Einfahrmechanismus, der das Fahrwerk einholt und ausfährt; die Räder und die Radbremsen. Übrigens kommt es heute kaum noch vor, daß ein Flugzeug Treibstoff ablassen muß. Bei vorzeitiger Landung (Notfall) war es früher üblich Treibstoff abzulassen, weil die Fahrwerke das Gewicht beim Aufsetzen nicht ausgehalten hätten. Heute sind die Fahrwerke sehr stabil konstruiert, so daß es fast möglich ist mit einem volbetanktem Flugzeug zu Landen.

 
 

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