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Aerodynamik ist die Wissenschaft, die die Bewegung von Gase beschreibt. Sie ist Teil des Feldes Strömungsmechanik. Die Beschreibung des Strömungsverhaltens eines Gases kann sich auf die Strömung im freien Raum beziehen oder auf a Körper so wie ein Flügel von a Flugzeug.
Die Geschichte der Aerodynamik lässt sich in vier Perioden einteilen. Die erste ist die primitive Periode, die vom Zeitpunkt des Aristoteles (384 - 322 v.Chr.) bis zur Veröffentlichung von Isaac NewtonPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica im 1687. Die Zeit danach, von der klassischen Mechanik bis zum Erstflug des of Wright-Brüder im 1903, wo die Aerodynamik die Grundlage der Luftfahrtentwicklung bildet, gefolgt von der Unterschall Aerodynamik zu 1935. Seit 1935 ist die Überschall- Aerodynamik angewendet, davon Theodore von Karman gilt als einer der wichtigsten Gründer.
Die Form eines Objekts hat großen Einfluss auf das Strömungsverhalten des Gases, durch das es sich bewegt. Im Design von Flugzeuge, Wagenund anderen Fahrzeugen wird daher eine aerodynamisch optimale Form gesucht, um Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten.
Laminar und turbulent
Die Umströmung eines Objekts kann laminar oder turbulent sein. Auch eine Kombination ist möglich (erst ein Stück laminar, dann turbulent).
Die laminare Strömung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Luft in Stromlinien um das Objekt bewegt. Diese Stromlinien haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Die Moleküle direkt auf der Oberfläche werden durch die Reibung „weggerissen“ und haben somit keine Geschwindigkeit relativ zum Objekt. Mit zunehmender Entfernung zum Objekt nimmt auch die Geschwindigkeitsdifferenz zu diesem Objekt zu, bis keine Geschwindigkeitsdifferenz mehr zur ungestörten Strömung besteht. Dies ist das Grenzschicht.
Turbulente Strömung zeichnet sich dadurch aus, dass die Umfangsströmung nicht nur entlang des Objekts, sondern auch senkrecht dazu erfolgt. Der turbulente Bypass hat einen höheren Widerstand als der laminare Bypass und auch die Grenzschicht ist hier dicker.
Die Nebenströmung kann bei schlanken Objekten laminar beginnen und nach dem Passieren eines bestimmten Teils der Nebenströmung in turbulent übergehen. Dies kann sehr schnell (einige Millimeter) oder fast am Ende der Flugbahn passieren. Bei einem stumpfen Gegenstand kann die Zirkulation sofort turbulent werden.
Um mit minimalem Widerstand fliegen zu können und damit große Distanzen zurücklegen zu können, werden Flugzeuge so konstruiert, dass die Umströmung möglichst laminar bleibt. Dennoch gibt es Vorteile, die laminare Strömung künstlich turbulent zu machen. Wenn diese Änderung automatisch erfolgt, ist sie oft sehr rigoros, was zu einer dicken turbulenten Schicht mit viel Widerstand führt. Indem man die Strömung kurz vor der natürlichen Wende kleinräumig macht (zum Beispiel durch einen schmalen Klebebandstreifen an einem Flügel), bleibt die turbulente Schicht viel dünner und die Widerstandserhöhung wird begrenzt.
Die Verschlankung von beispielsweise Autos, Flugzeugen, Zügen und Raketen wird in einem Windkanal. In einem Windkanal wird Wind auf das Objekt geblasen. Dann wird Rauch hinzugefügt, damit man sieht, wo die engeren Linien sein sollten. Es wird dann viele Wendungen im Rauch geben.
Widerstand
Es gibt zwei Arten von Widerständen (ziehen) zu unterscheiden:
- Profilwiderstand (Wp) und
- induzierter Widerstand (Wi)
Der Profilwiderstand hat zwei Ursachen:
- Moleküle des strömenden Stoffes (Luft, Wasser) bleiben am umströmenden Objekt haften und werden mitgerissen, was Energie kostet.
- Da diese Moleküle mitgerissen werden, kommt es vorne zu einem Aufbau und hinten zu einer (relativen) Materialknappheit. Dadurch entsteht ein Druckunterschied zwischen vorne und hinten. Der Druck ist immer höher und verlangsamt somit das Objekt. Hier spielt also die Stirnfläche eine Rolle.
Der induzierte Widerstand tritt erst auf, wenn Auftrieb erzeugt wird. Und so bei Objekten, die in Strömungsrichtung einen mehr oder weniger langgestreckten Querschnitt haben. Ein als Flügel verwendeter Rundstab hat daher keinen induzierten Widerstand (es sei denn, er dreht sich auch um seine Achse), aber wenn er als Speer geworfen wird, tut er es. Dieser Auftrieb kann darauf zurückzuführen sein, dass die Längsachse (in Strömungsrichtung) eines symmetrischen länglichen Objekts einen Winkel mit der Strömungsrichtung (Einfallswinkel) bildet, oder weil das Objekt auf beiden Seiten dieser Längsachse nicht symmetrisch ist, oder eine Kombination aus beidem. Der Effekt ist, dass auf der einen Seite ein geringerer Druck und auf der anderen ein höherer Druck entsteht. Den Unterschied nennen wir Flügelauftrieb. Da ein Flügel nicht unendlich ist (es gibt eine Spitze), möchte die Luft mit höherem Druck von der Unterseite um die Spitze herum nach oben (wo niedrigerer Druck herrscht): der Spitzenwirbel. Auch die Strömung an der gesamten Unterseite und Oberseite ist davon betroffen. unten wird die Luft zur Spitze hin umgelenkt, oben knapp von der Spitze weg (zum Rumpf). Diese Richtungsänderung (Geschwindigkeitsänderung) kostet Energie und macht sich somit als Widerstand bemerkbar. Seine Größe ist proportional zur Größe des Aufzugs.
Neben den oben genannten Ursachen ist die Form des umströmten Gegenstandes, die Viskosität und der Dichte des interessierenden Gases.
Aufzug
Ein Flügel gewinnt an Auftrieb, wenn die Oberseite des Flügels konvexer ist als die Unterseite. Ein symmetrisches Profil oder eine flache Platte sorgen für Auftrieb, wenn der Anstellwinkel ungleich Null ist.
Der Auftrieb wird durch zwei Effekte erzeugt:
Durch Anstellwinkel ungleich Null und/oder asymmetrische Krümmung wird der Luftstrom nach unten (relativ zum Flügel) umgelenkt. Dieses Phänomen wird oft als Coandă-Effekt. Eine Möglichkeit, die Auftriebskraft zu berechnen, ist die Verwendung des Newtons drittes Gesetz auf den nach unten abgelenkten Luftstrom und wird daher Newton-Näherung genannt: Die Kraft ist gleich der Masse der betroffenen Luft multipliziert mit der Beschleunigung (nach unten), die diese Luft erhält.
Ein anderer Ansatz basiert auf den Fluggeschwindigkeitsunterschieden über und unter einem Tragflügel, die mit Hilfe des in Druckunterschiede umgerechnet werden können Bernoullics Gesetz die dann die Auftriebskraft bewirken. Dies führt zu dem Gesetz von Kutta-Joukowski; mehr dazu siehe Artikel Wirbeltheorie.
Biene Überschall- Bei Geschwindigkeiten ist die konvexe Form des Tragflügels weniger wichtig für den Auftrieb: Die Flügel dieses Flugzeugtyps sind so dünn und stark wie möglich.
Sport
Beim Speedsport spielt die Aerodynamik des Sportlers und der Ausrüstung eine große Rolle. Skater kleben spezielle Streifen auf ihre Anzüge (damit das Laminar mit der Zeit turbulent wird). Radfahrer verwenden spezielle Zeitfahrräder und tragen Lycra-Kleidung mit vertikaler Rippe. Bei der Formel 1 sein Rennautos mit einem Front- und einem Heckflügel ausgestattet, die den Luftstrom beeinflussen. Diese Flügel sorgen dafür, dass das Auto durch negativen Auftrieb, auch Abtrieb genannt, zu Boden gedrückt wird. Dies soll sicherstellen, dass das Auto mehr Grip auf der Straße bekommt und das Auto aufgrund des positiven Auftriebs (der Autoform selbst) nicht in die Luft fliegt. Dieser Abtrieb ist sogar so groß, dass es theoretisch möglich ist, ein Formel-1-Auto auf den Kopf zu stellen Golf und Tennis Aerodynamik ist von großer Bedeutung. Es funktioniert dann auf einem sich drehenden Ball Magnus-Effekt.
Windräder
Auch bei Windkraftanlagen ist die Aerodynamik sehr wichtig. Denn mit einem aerodynamisch guten Design wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. In modernen Windenergieanlagen werden daher für die Rotorblätter Profile (Querschnitte) mit hohem Auftrieb und geringem Widerstand verwendet.
Windenergie
Als ein Resultat aus Turbulenz nur ein Teil der Windenergie ½mv² = ½ρV³ kann als Nutzenergie genutzt werden, die dann die Formel E = fV³ erhält. Dabei ist f ein in der Praxis ermittelter Faktor. Im Winddruck Die Beziehung zwischen Windenergie und Verbraucherenergie wird mit Architekturdaten behandelt, um politische Entscheidungen in der Energieversorgung zu beeinflussen.
Wissenswertes
Vor der Rechtschreibreform 2005 wurde Aerodynamik mit einer Diarese auf dem ersten „e“ geschrieben: „Aerodynamik“.
Siehe auch
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