Aerodynamik

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Einleitung

Aerodynamik, Zweig der Strömungsmechanik, die sich mit der Bewegung von Luft und anderen gasförmigen Stoffen beschäftigt. Sie behandelt auch die Kräfte, die auf Körper beim Flug einwirken. Die Bewegung eines Flugzeuges durch die Luft, die auf ein Gebäude wirkenden Windkräfte und der Betrieb einer Windmühle sind Beispiele für aerodynamische Effekte.

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Bernoulli-Prinzip

Ein grundlegendes Gesetz der Strömungsmechanik ist das Bernoulli-Prinzip. Es stellt eine Beziehung zwischen der Fließgeschwindigkeit und dem Druck her. Das Bernoulli-Prinzip wird in der Aerodynamik benutzt, um den Auftrieb einer Flugzeugtragfläche während des Fluges zu erklären. Ein Flügel oder auch eine Tragfläche ist so konstruiert, dass die Luft schneller über seine Oberseite strömt als über seine Unterseite. Dadurch entsteht auf der Oberseite ein geringerer Druck als an der Unterseite. Der so entstehende Druckunterschied führt zum Auftrieb und ermöglicht den Flug.

Die Geschwindigkeit eines Windes, der auf eine senkrechte Gebäudeoberfläche trifft, beträgt nahe der Wand fast Null. Nach dem Bernoulli-Prinzip resultiert daraus ein Druckanstieg in Relation zu dem Druck, der weiter vom Gebäude entfernt herrscht. Das Gebäude muss daher so gebaut sein, dass es den sich daraus ergebenden Windkräften standhält.

Das Bernoulli-Prinzip gilt auch für Windkräfte, die auf andere aerodynamisch geformte Oberflächen treffen. Das Segel einer fahrenden Jacht z. B. bildet eine Art Tragfläche (siehe Segeln). Rennwagen sind deshalb tiefergelegt, weil so die Luft schneller durch den engen Spalt zwischen Fahrzeugboden und Straße strömt. Dadurch entsteht unter dem Fahrzeug ein Unterdruck, eine verbesserte Bodenhaftung ist die Folge. Ein Spoiler am Fahrzeugheck, der die Form einer umgedrehten Flugzeugtragfläche hat, verstärkt die nach unten wirkende Kraft.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Aerodynamik ist der Luftwiderstand. Die Widerstandskräfte, die z. B. bei einem fliegenden Flugzeug wirken, müssen durch die Antriebskraft des Düsentriebwerks oder des Propellers überwunden werden. Diese Widerstandskräfte können durch Stromlinienförmigkeit des Körpers erheblich verringert werden. Bei nicht vollständig stromlinienförmigen Körpern wächst der Widerstand ungefähr mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, wenn sie sich schnell durch die Luft bewegen. Die Leistung, die z. B. benötigt wird, um ein Auto gleichmäßig mit mittlerer oder hoher Geschwindigkeit zu fahren, dient hauptsächlich zur Überwindung des Luftwiderstands.

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Überschallakustik

Die Überschallakustik ist ein wichtiger Zweig der Aerodynamik. Das Hauptthema der Überschallakustik sind die Phänomene, die bei Überschallgeschwindigkeit auftreten. Die Geschwindigkeit des Schalles in der Atmosphäre ändert sich mit Feuchtigkeit, Temperatur und Druck. Weil diese so veränderliche Schallgeschwindigkeit ein kritischer Faktor in aerodynamischen Gleichungen ist, wird er durch die so genannte Mach-Zahl dargestellt. Sie wurde nach dem österreichischen Physiker und Philosophen Ernst Mach benannt, der als Pionier der Ballistik gilt. Die Mach-Zahl ist die Geschwindigkeit eines Geschosses oder Flugzeuges in der umgebenden Atmosphäre geteilt durch die Schallgeschwindigkeit im gleichen Medium unter den gleichen Bedingungen. So entspricht auf Meereshöhe unter Standardbedingungen für Feuchtigkeit und Temperatur eine Geschwindigkeit von ungefähr 1 234 Kilometern pro Stunde einer Mach-Zahl von 1. Die gleiche Geschwindigkeit entspricht aufgrund der Unterschiede hinsichtlich Dichte, Druck und Temperatur in der Stratosphäre einer Mach-Zahl von 1,16. Indem man Geschwindigkeiten nicht in Kilometern pro Stunde, sondern in Mach-Zahlen ausdrückt, lassen sich die tatsächlichen Verhältnisse in Flugsituationen darstellen.

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Stoßwellen

Beobachtungen von Artilleriegeschossen enthüllen das Wesen der atmosphärischen Störungen, die beim Flug auftreten. Im Bereich der Unterschallgeschwindigkeit, d. h. unter 0,85 Mach, ist die einzige atmosphärische Störung eine Turbulenz hinter dem Projektil. Im Bereich der Schallgeschwindigkeit von 0,85 Mach bis 1,3 Mach treten mit steigender Geschwindigkeit Stoßwellen auf. Im unteren Teil dieses Geschwindigkeitsbereichs entstehen Stoßwellen an allen Unebenheiten des glatten Projektilmantels. Wenn die Geschwindigkeit 1 Mach übersteigt, bilden sich vorne und hinten am Projektil Stoßwellen, die sich kegelförmig vom Projektil ausbreiten. Der Winkel an der Spitze ändert sich mit der Geschwindigkeit des Projektils. So ist bei 1 Mach die vordere Stoßwelle im Wesentlichen eine Ebene, bei 1,4 Mach beträgt der Winkel des Kegels ungefähr 90 Grad. Bei 2,48 Mach hat die Stoßwelle, die das Projektil nach sich zieht, an der Spitze einen Winkel von etwas weniger als 50 Grad. Diese Forschungsrichtung hat bereits den Bau von modernen Hochgeschwindigkeitsflugzeugen ermöglicht. Die Tragflächen dieser Flugzeuge lassen sich bis zu 60 Grad zurückschwenken. Dadurch geraten die Tragflächen nicht in die Stoßwelle.