Der Luftwiderstand ist die aerodynamische Kraft, die der Bewegung eines Flugzeugs in der Luft entgegenwirkt. Der Luftwiderstand wird von jedem Teil des Flugzeugs erzeugt (sogar von den Triebwerken!).
Wie entsteht der Luftwiderstand?
Der Luftwiderstand ist eine mechanische Kraft. Sie wird durch die Wechselwirkung und den Kontakt eines festen Körpers mit einem Fluid (Flüssigkeit oder Gas) erzeugt. Er wird nicht durch ein Kraftfeld im Sinne eines Gravitationsfeldes oder eines elektromagnetischen Feldes erzeugt, bei dem ein Objekt auf ein anderes Objekt einwirken kann, ohne dass es in physischem Kontakt steht. Damit der Luftwiderstand entsteht, muss der feste Körper in Kontakt mit der Flüssigkeit sein. Ist keine Flüssigkeit vorhanden, gibt es auch keinen Widerstand. Der Luftwiderstand wird durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem festen Objekt und der Flüssigkeit erzeugt. Es muss eine Bewegung zwischen dem Objekt und der Flüssigkeit stattfinden. Wenn es keine Bewegung gibt, gibt es keinen Widerstand. Es macht keinen Unterschied, ob sich das Objekt durch eine statische Flüssigkeit bewegt oder ob sich die Flüssigkeit an einem statischen festen Objekt vorbeibewegt.
Der Luftwiderstand ist eine Kraft und daher eine vektorielle Größe, die sowohl eine Größe als auch eine Richtung hat.Der Luftwiderstand wirkt in eine Richtung, die der Bewegung des Flugzeugs entgegengesetzt ist. Es gibt viele Faktoren, die sich auf die Größe des Luftwiderstands auswirken. Viele dieser Faktoren wirken sich auch auf den Auftrieb aus, aber es gibt einige Faktoren, die nur für den Luftwiderstand von Flugzeugen gelten.
Wir können uns den Luftwiderstand als aerodynamische Reibung vorstellen, und eine der Quellen des Luftwiderstands ist die Hautreibung zwischen den Molekülen der Luft und der festen Oberfläche des Flugzeugs. Da es sich bei der Reibung um eine Wechselwirkung zwischen einem Festkörper und einem Gas handelt, hängt die Größe der Reibung von den Eigenschaften des Festkörpers und des Gases ab. Für den Festkörper erzeugt eine glatte, gewachste Oberfläche weniger Reibung als eine aufgeraute Oberfläche. Bei Gasen hängt die Größe der Reibung von der Viskosität der Luft und der relativen Größe der viskosen Kräfte im Verhältnis zur Bewegung der Strömung ab, ausgedrückt durch die Reynolds-Zahl. Entlang der Oberfläche des Festkörpers bildet sich eine Grenzschicht mit geringer Strömungsenergie, deren Größe von den Bedingungen in der Grenzschicht abhängt.
Den Luftwiderstand kann man sich auch als aerodynamischen Widerstand vorstellen, der die Bewegung des Objekts durch die Flüssigkeit behindert. Diese Quelle des Luftwiderstands hängt von der Form des Flugzeugs ab und wird als Formwiderstand bezeichnet. Wenn die Luft einen Körper umströmt, ändern sich die lokale Geschwindigkeit und der Druck. Da der Druck ein Maß für den Impuls der Gasmoleküle ist und eine Impulsänderung eine Kraft erzeugt, erzeugt eine veränderliche Druckverteilung eine Kraft auf den Körper. Wir können die Größe der Kraft bestimmen, indem wir den lokalen Druck mal die Oberfläche um den gesamten Körper integrieren (oder addieren). Die Komponente der aerodynamischen Kraft, die der Bewegung entgegengesetzt ist, ist der Luftwiderstand; die Komponente senkrecht zur Bewegung ist der Auftrieb.
Sowohl die Auftriebs- als auch die Luftwiderstandskraft wirken durch den Druckmittelpunkt des Objekts.
Es gibt eine zusätzliche Widerstandskomponente, die durch die Erzeugung von Auftrieb entsteht. Er wird auch als „Widerstand durch Auftrieb“ bezeichnet, weil er nur bei endlichen, anhebenden Tragflächen auftritt. Der induzierte Luftwiderstand entsteht, weil die Verteilung des Auftriebs an einem Flügel nicht gleichmäßig ist, sondern von der Wurzel bis zur Spitze variiert: Bei einem Auftriebsflügel besteht ein Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Flügels. An den Flügelspitzen bilden sich Wirbel, die eine Wirbelströmung erzeugen, die in der Nähe der Flügelspitzen sehr stark ist und zur Flügelwurzel hin abnimmt. Der lokale Anstellwinkel des Flügels wird durch die induzierte Strömung des Spitzenwirbels vergrößert, so dass die auf den Flügel wirkende aerodynamische Kraft eine zusätzliche, stromabwärts gerichtete Komponente erhält, die als induzierter Widerstand bezeichnet wird, weil sie durch die Wirkung der Spitzenwirbel „induziert“ wurde.Die Größe des induzierten Widerstands hängt von der Menge des vom Flügel erzeugten Auftriebs und von der Verteilung des Auftriebs über die Spannweite ab.Lange, dünne (in Sehnenrichtung) Flügel haben einen geringen induzierten Widerstand; kurze Flügel mit einer großen Sehne haben einen hohen induzierten Widerstand.Flügel mit einer elliptischen Verteilung des Auftriebs haben den geringsten induzierten Widerstand. Moderne Verkehrsflugzeuge verwenden Winglets, um den induzierten Widerstand des Flügels zu verringern.
Zwei zusätzliche Widerstandsquellen sind der Wellenwiderstand und der Stauwiderstand. Wenn sich ein Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, werden entlang der Oberfläche Schockwellen erzeugt. Die Schockwellen bewirken eine Änderung des statischen Drucks und einen Verlust des Gesamtdrucks.
Der Wellenwiderstand hängt mit der Bildung der Schockwellen zusammen. Das Ausmaß des Wellenwiderstands hängt von der Machzahl der Strömung ab. Der Staudruckwiderstand entsteht, wenn freie Luft in das Innere des Flugzeugs gebracht wird.Düsentriebwerke bringen Luft an Bord, mischen die Luft mit Treibstoff, verbrennen den Treibstoff und stoßen die Verbrennungsprodukte aus, um Schub zu erzeugen.Betrachtet man die grundlegende Schubgleichung, so gibt es einen Term Massenstrom mal Eintrittsgeschwindigkeit, der vom Bruttoschub abgezogen wird.Dieser „negative Schub“-Term ist der Luftwiderstand.
Sie können sich einen Kurzfilm von „Orville und Wilbur Wright“ ansehen, in dem sie die Luftwiderstandskraft und ihre Auswirkungen auf den Flug ihres Flugzeugs diskutieren. Die Filmdatei kann auf Ihrem Computer gespeichert und als Podcast auf Ihrem Podcast-Player angesehen werden.
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