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Animation des Betriebs der Auftriebskraft.

Das Auftriebskraft ist der Leistung dass ein Laufen Gas oder Flüssigkeit auf einen Körper senkrecht zur Strömungsrichtung.

Die Hubkraft wird in der Aerodynamik bis zum Flügel und rühren von a Flugzeug. Auch der Propeller leitet sich ab, hier zu sein Vortriebskraft an, genau wie Segelboote und Windsurfbretter. Auch mit Windräder und Windmühlen Auftriebskraft ist das Antriebsprinzip.

In dem Hydrodynamik das prinzip wird verwendet für die Antrieb bis zum Schraube und Kontrolle durch die rühren, aber auch zum Beispiel von Tragflügelboote.

Grundsätze

Die Auftriebskraft ist definiert als Leistung, senkrecht zur Strömungsrichtung (außerhalb des Bereichs, in dem die Flügel, es Segel ob die Leitschaufel die Strömung umlenkt). Bei Flugzeugen, die auf konstanter Höhe fliegen, ist die Auftriebskraft rein vertikal. In den anderen Fällen (Segel, Windturbinenblatt, Windmühlenflügel) müssen wir mit dem scheinbaren Wind. Dies ist das resultierende der Windgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Segels oder Blattes selbst, und letztere Geschwindigkeit kann ein Vielfaches der Windgeschwindigkeit sein.

Die Auftriebskraft ist das Ergebnis mehrerer Effekte, wie z Reaktionskraft der Luft- oder Flüssigkeitsströmung an der Oberfläche, die Bernoulli-Effekt und der Wirkung von Coandă.

Die Wirkung der Reaktionskraft ist leicht zu verstehen. Eine ebene Platte, die mit der Luftströmung einen Winkel bildet, so dass die Luftströmung an der Unterseite der Platte umgelenkt wird, erfährt nicht nur eine Reaktionskraft in Strömungsrichtung, sondern auch eine nach oben gerichtete Komponente. Diese Reaktionskraft ist die Hauptkomponente der Auftriebskraft in Flugzeugflügeln.

Eine flache Platte reicht aus, um Flugzeuge in der Luft zu halten. Ein flacher Flügel ist jedoch aus mehreren Gründen nicht optimal. Eine flache Platte verursacht neben der erforderlichen Abwärtskraft auch Turbulenzen und Luftwiderstand. Viele Experimente und Berechnungen haben gezeigt, dass die Oberseite des Flügels besser eine konvexe Form haben sollte. Der Luftstrom folgt der Flügeloberfläche und biegt sich daher auch an der Flügeloberseite nach unten. Ohne diese konvexe Form würde der Luftstrom über dem Flügel bereits bei einem kleineren Anstellwinkel (einfach geradeaus fahren) freigeben und Luftwirbel entstehen. Dieses Turbulenz wirkt bremsend und da die Luft oben am Flügel nicht mehr abgelenkt wird, gibt es auch weniger Auftrieb. Dieser Beitrag zur Gesamtauftriebskraft, der somit durch die Umlenkung des Luftstroms verursacht wird, basiert auf der Newtons drittes Gesetz und wird daher als Newtonsche Näherung bezeichnet.

Die Luftgeschwindigkeitsunterschiede über und unter einem Profil können mit den Bernoullics Gesetz werden in Druckdifferenzen umgewandelt, die wiederum Auftriebskräfte verursachen. Die Aussage, dass die Luft oben am Flügel einen längeren Weg zurücklegen muss und daher schneller strömt als die Luft unter dem Flügel, ist falsch. Schließlich könnten wir auch einen Flügel mit einer konkaven Oberseite oder mit vielen Unebenheiten darin herstellen.

In Fachkreisen wird die Auflage nach den Wirbeltheorie. Diese Berechnungen sind richtig, geben aber wenig intuitiven Einblick in die Natur der Auftriebskraftentwicklung.

Strömung um und Kräfte auf einem Flügel.

Die Bewegung des Flügels durch die Luft verursacht einen Überdruck an der Unterseite eines Flügels und einen Unterdruck an der Oberseite des Flügels. Diese Druckunterschiede selbst bewirken einen zusätzlichen Effekt. Die Luft an der Unterseite des Flügels wird durch den Überdruck vor Ort gebremst. Durch den Unterdruck über dem Flügel wird die Luft an die Oberseite des Flügels gesaugt. Dies bewirkt eine höhere Luftgeschwindigkeit über dem Flügel als unten. Dadurch werden typischerweise 2/3 der Auftriebskraft an der Oberseite des Flügels und 1/3 an der Unterseite abgegeben. Die Durchbiegungskräfte für die Luftmasse sind proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit.

In der nebenstehenden Abbildung, um einen Querschnitt von a . zu zeigen Tragfläche Stromlinien gezeichnet (grün). Dies ist der Weg, den Luftpartikel zurücklegen, wenn sie am Flügel vorbeiströmen. In der Luft weit vor dem Flügel werden sie in gleichen Abständen (z.B. alle 5 Meter) gezogen. Wenn Stromlinien näher zusammenrücken und die Dichte (annähernd) gleich bleibt, bedeutet dies, dass die Partikel schneller fließen. Die Luftgeschwindigkeit und die Strömungsrichtung werden durch die blauen Pfeile angezeigt. Die roten Pfeile zeigen den Unterdruck über dem Flügel und den Überdruck darunter an. Schließlich zeigt der violette Pfeil die Gesamtauftriebskraft und der graue den Widerstand an. Wir versuchen immer, den Strömungswiderstand so gering wie möglich zu halten. Für ein Flugzeug, das mit konstanter Geschwindigkeit und konstanter Höhe fliegt, ist die Auftriebskraft gleich Schwere verursacht durch die Masse des gesamten Flugzeugs und die Vortriebskraft, die dem Luftwiderstand des Flugzeugs entspricht.

Lift-Formel

Abb. 2. Auftriebsbeiwert als Funktion des Anflugwinkels.

Das Auftriebskraftl berechnet sich wie folgt:

${displaystyle L={frac {1}{2}}ho cdot v^{2}cdot Scdot C_{L}(alpha )}$           (1)

in welchem:

• ${Anzeigestil ho}$ ist die Dichte der Luft (in kg/m³ ; 1,23 kg/m²³ auf Meereshöhe 0,35 kg/m²³ in 10 km Höhe);
• v ist die tatsächliche Fluggeschwindigkeit (in m/s) relativ zum angehobenen Teil;
• so ist die Fläche (in m²) des angehobenen Teils;
• ${displaystyle C_{L}}$ ist der Auftriebsbeiwert (dimensionslos) relativ zu α (Anflugwinkel).

Bild 2 zeigt den Auftriebsbeiwert als Funktion des Anflugwinkels. Der Anflugwinkel (Angriffswinkel) ist der Winkel, den die unbeeinflusste Strömung mit der Akkord des Flügels (Linie von der Vorder- zur Rückseite des Flügels). C_l hat für viele Profile, wie das in Abbildung 1, bereits einen positiven Wert bei einem Anfahrwinkel von 0°. Dies liegt daran, dass die Strömung über den gekrümmten Rücken bereits nach unten umgelenkt wird, wenn die Flügelsehne parallel zur Strömung steht. Ab einem bestimmten kritischen Winkel (10 bis 20°) nimmt die Auftriebskraft schlagartig sehr stark ab. Flugzeuge dürfen diese Bedingung verwenden von Startseite normalerweise nicht erreichen. Die Kurve ist spezifisch für ein bestimmtes Profil, hat aber für gute Designs immer ungefähr diese Form.

Flugzeugflügel (und einige Schiffsruder) haben "Klappen" oder "Klappen" hinten und/oder vorne. Dadurch kann die Luft stärker nach unten oder nach oben umgelenkt werden. Als Ergebnis, C_l und damit ist auch die Auftriebskraft L größer (wenn die Luft stärker nach unten abgelenkt wird). Dieses Krümmungsventile werden verwendet, um im Flug mit geringerer Geschwindigkeit, beispielsweise bei Start und Landung, ausreichend Auftrieb zu erzeugen.

Eine andere Berechnung

EIN Boeing 747 fliegt in 10 km Höhe mit einer Geschwindigkeit von Machtnummer 0,84 = TAS 485 kn ≈ 900 km/h bei Volllast.

• Die Masse beträgt 340.000 kg, also die Schwerkraft 3.332.000 Newton, was auch die Auftriebskraft ist f_l muss sein.
• Der Flügelbereich ist ein = 511 m².
• Die Geschwindigkeit ist v = 250 m/s
• Die Dichte ${Anzeigestil ho}$ der Luft in 10 km Höhe beträgt 0,35 kg/m³.

Die Aufzugsformel (1) kann auch geschrieben werden als:

${displaystyle C_{L}={frac {2F_{L}}{ho v^{2}A}}}$     (10)

Nach dem Ausfüllen der obigen Informationen: C_l = 0,6

Dies scheint angesichts der obigen Bilder ein vernünftiger Wert zu sein. Wenn das Flugzeug etwas weniger stark beladen ist (z. B. Gesamtmasse 2/3 des obigen Wertes), wird C_l = 0,4. Das Flugzeug wird so konstruiert, dass es bei mittlerer Belastung mit den Flügelklappen in Neutralstellung horizontal fliegt.

Die Druckdifferenz an den Flügeln kann berechnet werden, indem die Auftriebskraft durch die Flügelfläche geteilt wird: 3.332.000/511 = 6520 N/m². Dies ist bei maximaler Belastung. Unter der Annahme des Verhältnisses 2/3 - 1/3 für den Druck über und unter dem Flügel ergibt sich der Überdruck unter dem Flügel: 2170 N/m² und Unterdruck über dem Flügel: 4350 N/m². Der absolute Luftdruck in 10 km Höhe beträgt 25.000 N/m². Die Druckunterschiede sind daher im Vergleich zum Luftdruck nicht sehr gering: 17% Unterdruck über dem Flügel und 8% Überdruck unter dem Flügel.

Literatur

• John D. Anderson, Jr., Einführung in das Fliegen, Handbuch verwendet bei der Tu Delft bei Luft- und Raumfahrttechnik.

Externe Links

• (und) Luftströmungsanimation um die Tragfläche
• (und) Sehr ausführliche Beschreibung zu den Auftriebskräften
• (und) Bernoulli vs. Newton zur Erklärung der Auftriebskraft
• (und) Jef Raskins Vision (Jef Raskin war einer der Gründer von Apples Macintosh)
• (und) Eine umfassende Abhandlung von Boeing über Klappen und Auftriebskraft