Warum braucht ein Flugzeug eine Start- und Landebahn? Wolfgang Oehme, Jens Gabke, Axel Märcker Fakultät für Physik und Geowissenschaften
Wettstreit zwischen Gewicht und Auftrieb U-Boot Wasser in den Tanks Luft in den Tanks Gewicht ist groß Gewicht ist klein Volumen bleibt gleich Auftrieb bleibt gleich U-Boot sinkt U-Boot steigt
Warum schwebt ein Heißluftballon? schwacher Wind 10 C Auftrieb Gewicht 0 C Mit der Flamme wird das Gewicht der Luft im Ballon verändert.
Verändern des Gewichts U-Boot Heißluftballon Auftrieb 10 C Gewicht 0 C Mit der Tankfüllung wird das Gewicht des U-Bootes verändert. Mit der Flamme wird das Gewicht der Luft im Ballon verändert.
Der Traum vom Fliegen Foto: Wikipedia User Andreas Trepte Ikarus Montgolfiere Luftschiff
Der Traum vom Fliegen Foto: Wikipedia User Andreas Trepte O. Lilienthal:Gleitflug Doppeldecker Ju 5 Airbus A380
Der Traum vom Fliegen Foto: Wikipedia User Andreas Trepte Hubschrauber Eroberung des Weltraums
Stehendes Flugzeug und Auftrieb Airbus A380 Startgewicht: 560t Flügelfläche: 846m² 400 Pkw Länge: 7,30 m Spannweite: 79,80 m Höhe: 4,10 m 5 Volleyballfelder
Warum steigt ein Drachen im Wind?
Strömung an gekrümmter Fläche Luft wird mitgeführt -> Druck klein (Viskosität, Coanda-Effekt) Argumentation über Newtonsche Prinzipien F = m a r r F Tragflügel = F Luft Luft wird gestaut -> Druck groß Argumentation über Druck p = F F A Auftrieb = Δp A Luft wird abgelenkt (-> Drücke ändert sich -> Druckdifferenz entsteht) -> resultierende Kraft
Tragflügel: Auftrieb und Luftwiderstand Profil des Tragflügels
Luftwiderstand und Flugzeugrumpf Strömungskörper im Luftstrom
Dynamischer Auftrieb und Flugzeugflügel
Auftrieb und Luftwiderstand A Flügel A Querschnitt Luftwiderstand Auftrieb F W 1 = cw ρ Luft A Querschnitt v F A 1 = ca ρ Luft A Flügel v Widerstandsbeiwert c W Auftriebsbeiwert c A
Startphase Wir steigen als Testpilot in den A380 a) Abheben: Auftriebskraft = Gewichtskraft 1 F A = ca ρl AFlügel v = F G ca = 0,6 ρ = 1,3kg / m³ L v 440km / h b) Schub und Landebahn: Gleichmäßig beschleunigte Bewegung 1 s = a t a,0m / s² F = F Schub F W t 60s v = a t s 3600m F = m a Schub, 4 Triebwerke 4*311 kn Abhebgeschwindigkeit 400 km/h max. Startmasse 500 t Startstrecke 750 m Flügelfläche 850 m²
Wir steigen als Testpilot in den A380 Flug in 10.000 m Höhe F A 1 = ca ρl A Flügel v ca = 0,5 ρ = 0,4kg / m³ L v 1000km / h F A 6, 7MN Vergleich mit Gewicht: F G < 5MN Nötiger Druckunterschied an den Tragflächen p = F A Vergleich mit Luftdruck: Δp = F A G 6, 0 Flügel Erdoberfläche Flughöhe kpa p 100kPa p 5kPa
Kann man sich an der Luft abstoßen? Auto stößt sich an der Straße ab Boot stößt sich am Wasser ab Luftkissenboot Luft Schub Wechselwirkungsprinzip Die Kraft (actio) ist stets gleich der Gegenkraft (reactio). Oder: Die Kräfte zweier Körper aufeinander sind stets gleich groß und von entgegen gesetzter Richtung: F 1 1 = F
Warum kann ein Hubschrauber in der Luft stehen? Schub Luftstrom Luftstrom Gewicht
Hubschrauber und Flugrichtung Schub Flugrichtung Luftstrom Luftstrom Gewicht
Warum kann eine Rakete im luftleeren Raum fliegen?
Rückstoß und Raketenantrieb Skateboard und Antrieb Luftballon-Raketenfahrzeug Wasser- und Brennstoffrakete
Rückstoß und Raketen c Δm m Δm c Δv Impulserhaltung: ( m Δm) Δv Δm c = 0 Raketengleichung m 0 ve = v0 + c ln me m m 0 Startmasse Endmasse e ohne Berücksichtigung des Gravitationsfeldes
Warum kann eine Rakete im luftleeren Raum fliegen? Schub Schub Abgase Flug im Weltraum (Schwerelosigkeit) Abgase Start Gewicht
Warum braucht ein Flugzeug eine Start- und Landebahn? www.uni-leipzig.de/physikdidaktik
Strömungsphysik Statischer Auftrieb Dynamischer Auftrieb p 0 p u p F F u u o A > p p o F p = A F = p = = F u o u A A F o p u p 0
Strömungsphysik Energiesatz für strömende Gase 1 p V + m v = potentielle kinetische Energie konst. Bernulli-Gleichung p + p 1 1 p ρ v = konst.' 1 = ρ ( v v 1 ) Druckunterschied bewirkt Geschwindigkeitsänderung Ursache Wirkung
Strömungsphysik Falsche Argumentation: Damit sich die Luft am Ende des Tragflügels wieder trifft, muss sie wegen des längeren Weges oben schneller strömen. Dadurch entsteht ein Druckunterschied zwischen Unter- und Oberseite. Können sich die Luftmoleküle verabreden? Nein!
Strömungsphysik Wirbelbildung und Strömungsgeschwindigkeit Laminare Strömumg schnell langsam Überlagerung Anfahrwirbel benötigt Gegenspieler (konstante Wirbelsumme bzw. Drehimpulserhaltungssatz)