Der Bodeneffekt

  • Dicht über dem Boden sind die Strömungsverhältnisse anders, da sich weniger Luft zwischen den Flügeln und dem Boden befindet.
  • Bei einer Höhe von 10% der Spannweite liegt der induzierte Widerstand bei ca. 50%.
  • Bei einer Höhe von mehr als der Spannweite ist der Effekt nicht mehr relevant.

Flugzustand Kurvenflug

  • Im Kurvenflug ist aufgrund der zusätzlich wirkenden Zentrifugalkraft eine höhere Mindestgeschwindigkeit nötig, um die Höhe zu halten.

Flugzustand horizontaler Flug

  • Luftkraft = Auftrieb – Widerstand
  • Bodenkraft = Gewicht + Vortrieb
  • Horizontaler Flug => Luftkraft = Bodenkraft
  • Je schneller, desto kleiner muss der Anstellwinkel für gewünschten Auftrieb sein.
  • Je langsamer, desto höher muss der Anstellwinkel für bestimmten Auftrieb sein.
  • Der geringste Gesamtwiderstand wird bei einem bestimmten Anstellwinkel bei einer bestimmten Geschwindigkeit erreicht.
  • Gleicher Widerstand erfordert gleiche Leistung.
    • Höhere Motorleistung und höhrer Anstellwinkel => genauso schnell wie bei niedrigerer Motorleistung und geringerem Anstellwinkel.
  • Je langsamer man fliegt unterhalb des Punktes, bei dem man am wenigsten Leistung braucht zum Horizontalflug, desto mehr Leistung braucht man, um langsamer zu fliegen.
  • Ohne Motor wird die Vortriebskraft komplett aus der Gewichtskraft genommen.

Luftkraft und Druckpunkt

  • Die Luftkraft ist eine gedachte Kraft als Summe aller Einzelauftriebskräfte. (Der Auftrieb wird für einen Punkt berechnet. Ein Flügel besteht aus vielen Punkten; summiert man alle deren einzelnen Auftriebskräfte, erhält man die Luftkraft des gesamten Flügels.)
  • Der Druckpunkt ist der gedachte Angriffsmittelpunkt der Luftkraft, also „der wirksame Mittelpunkt“ der Kombination aller Einzelauftriebskräfte.
  • Der Druckpunkt ist vom Anstellwinkel abhängig.

Profilpolare

  • Profilpolare zeigen den Zusammenhang an zwischen dem Auftrieb und Widerstand eines Flügels bei verschiedenen Anstellwinkeln.
  • Ein Profilpolar berücksichtigt den Widerstand nur anhand des Flügelprofiles.
  • Ein Flügelpolar berücksichtigt zusätzlich zum Profilpolar den Widerstand des gesamten Flügels.
  • Ein Gesamtpolar berücksichtigt zusätzlich zum Flügelpolar den Restwiderstand durch das gesamte Flugzeug.
  • Damit lassen sich unter anderem folgende Fragen beantworten:
    • Wie hoch ist der maximale Auftriebswert?
    • Bei welchem Anstellwinkel wird der geringte Widerstand erzeugt?
    • Bei welchem Anstellwinkel wird der maximale Auftrieb erreicht?
    • Bei welchem Anstellwinkel bricht der Auftrieb zusammen?

Arten des Widerstands

Formwiderstand / Druckwiderstand

  • Der spezifische Widerstand eines Körpers aufgrund seiner Form.

Reibungswiderstand / Grenzschichtwiderstand

  • Der Widerstand durch die Luftteilchen in der Grenzschicht.
  • Ist in laminarer Grenzschicht geringer als in turbulenter Grenzschicht.
  • Raue Oberfläche haben einen größeren Grenzschichtwiderstand als glatte.
    • Verschmutzungen auf Flügeln (z.B. durch Insekten) beeinflussen dessen Flugeigenschaften.

Profilwiderstand

  • = Druckwiderstand + Grenzschichtwiderstand

Randwiderstand / induzierter Widerstand

  • Durch Verwirbelungen an den Rändern eines Körpers entstehender Widerstand.
  • Ist abhängig von der Form und Lage eines Körpers relativ zur Luftströmrichtung (außer bei einer Kugel).
  • Je größer der Auftrieb, desto größer ist der induzierte Widerstand.
  • Je langsamer das Flugzeug, desto größer ist der induzierte Widerstand.
  • Die Flügelstreckung (= Verhältnis aus Spannweite und mittlere Flügeltiefe) beeinflusst den induzierten Widerstand stark.

Flügelwiderstand

  • = Druckwiderstand + Grenzschichtwiderstand + induzierter Widerstand

Inferenzwiderstand und Gesamtwiderstand

  • Der durch die Kombination der Widerstände sich gegenseitig beeinflussender Widerstand verschiedener Bauteile.
  • Dies ist die Differenz zwischen der Summe aller Einzelwiderstände und dem (gemessenen/“echten“) Gesamtwiderstand.

Widerstände

Auftrieb und Widerstand ändern sich mit dem Quadrat der Eigengeschwindigkeit.

  • Widerstand ist jede Kraft, die gegen die Flugrichtung wirkt.
  • Jeder Körper erzeugt in einer Luftströmung einen Widerstand. Er entsteht durch Interaktion/Störung/Beeinflussung der Luftteilchen untereinander.
  • CA ist der Widerstandskoeffizient.
  • Doppelte Fahrt ergibt vierfachen Widerstand.
  • Auftrieb und Widerstand ändern sich
    • linear mit der Luftdichte.
    • linear mit der Flügelfläche.

Der Anstellwinkel

  • Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Strömungsrichtung der Luftteilchen und der Profilbezugslinie/Profilsehne eines Flügels.
  • Eine Vergrößerung des Anstellwinkels führt zu einer Vergrößerung des Auftriebs und gleichzeitig des Widerstandes.
  • Ab dem Überschreiten des kritischen Anstellwinkels löst sich die Grenzschicht vom Flügel ab und der Auftrieb sinkt auf Null während der Widerstand weiter wächst.

Die Grenzschicht

  • Die Schicht, in der die Luftteilchen noch nicht die volle Strömungsgeschwindigkeit haben, heißt Grenzschicht.
  • Darin sind die Teilchen unterschiedlich schnell und „behindern“ und „stören“ sich gegenseitig.
  • Die Luftteilchen können sich laminar = parallel oder turbulent bewegen. Bewegen sie sich laminar, stören sie sich nicht. Bewegen sie sich turbulent, stören sie sich gegenseitig und kosten Energie.
  • Vom Staupunkt (Beginn des Flügels) aus sind Luftteilchen zunächst laminar und beginnen am Umschlagpunkt (kurz vor der Flügelkrümmung in die andere Richtung) turbulent zu werden.

Auftriebserzeugung

  • Auftrieb ist jede Kraft, die senkrecht nach oben wirkt.
  • Die Profilform bestimmt den Auftrieb.
  • CA ist der Auftriebskoeffizient.
  • Die Profilbezugslinie oder Profilsehne ist eine gedachte Gerade durch den Querschnitt eines Flügels.
  • Die Größe der Angriffskraft eines Körpers hängt ab von
    • seiner Form und Größe,
    • seiner Lage und Geschwindigkeit relativ zur Luftströmung sowie
    • der Beschaffenheit der Luft.
  • Um Auftrieb an einem Körper zu erzeugen, muss von diesem Luftmasse nach unten abgelenkt werden.
  • Je größer die Ablenkung nach unten, desto größer der Auftrieb – und des Widerstandes.
  • Unter einem Flügel entsteht ein Überdruck und über einem Flügel ein doppelt so hoher Sog.
  • Der Einstellwinkel bezeichnet den Winkel zwischen der Flugzeuglängachse und der Profilsehne. (D.h. wie stark geneigt der Flügel in Relation zum Flugzeugrumpf ist.)
  • Steigung frisst Geschwindigkeit.
    • Wenn man steigt, benötigt dies Energie, die nicht mehr für die Geschwindigkeit zur Verfügung steht.