Niemand kann erklären, warum Flugzeuge in der Luft bleiben

Einstein gab dann eine Erklärung ab, die eine inkompressible, reibungslose Lösung voraussetzte Flüssigkeit – das heißt, eine ideale Flüssigkeit. Ohne Bernoulli namentlich zu erwähnen, gab er einen Bericht, der mit dem Bernoulli-Prinzip übereinstimmt, indem er sagte, dass der Flüssigkeitsdruck größer ist, wenn seine Geschwindigkeit langsamer ist, und umgekehrt. Um diese Druckunterschiede auszunutzen, schlug Einstein ein Strömungsprofil mit einer Ausbuchtung oben vor, so dass die Form die Luftströmungsgeschwindigkeit über der Ausbuchtung erhöhen und somit auch dort den Druck verringern würde.

Einstein glaubte wahrscheinlich, dass sein Ideal- Die Flüssigkeitsanalyse würde ebenso gut für reale Flüssigkeitsströme gelten. Auf der Grundlage seiner Theorie entwarf Einstein 1917 ein Tragflächenprofil, das später als Katzenrückenflügel bekannt wurde, da es dem buckligen Rücken einer sich streckenden Katze ähnelte. Er brachte das Design zum Flugzeughersteller LVG (Luftverkehrsgesellschaft) in Berlin, der eine neue Flugmaschine darum herum baute. Ein Testpilot berichtete, dass das Fahrzeug wie „eine schwangere Ente“ in der Luft watschelte. Viel später, 1954, nannte Einstein selbst seinen Ausflug in die Luftfahrt eine „jugendliche Torheit“. Das Individuum, das uns radikal neue Theorien gab, die sowohl die kleinsten als auch die größten Komponenten des Universums durchdrangen, konnte dennoch keinen positiven Beitrag zum Verständnis des Auftriebs leisten oder ein praktisches Tragflächen-Design entwickeln.

In Richtung Eine vollständige Theorie des Auftriebs

Zeitgenössische wissenschaftliche Ansätze für das Flugzeugdesign sind die Provinz der CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) und die sogenannten Navier-Stokes-Gleichungen, die die tatsächliche Viskosität der realen Luft vollständig berücksichtigen . Die Lösungen dieser Gleichungen und die Ergebnisse der CFD-Simulationen liefern Druckverteilungsvorhersagen, Luftströmungsmuster und quantitative Ergebnisse, die die Grundlage für die heutigen hochentwickelten Flugzeugkonstruktionen bilden. Dennoch geben sie selbst keine physikalische, qualitative Erklärung für den Auftrieb.

In den letzten Jahren hat der führende Aerodynamiker Doug McLean jedoch versucht, über den reinen mathematischen Formalismus hinauszugehen und sich mit der physikalischen Ursache auseinanderzusetzen. und-Effekt-Beziehungen, die für den Auftrieb in all ihren realen Manifestationen verantwortlich sind. McLean, der den größten Teil seiner beruflichen Laufbahn als Ingenieur bei Boeing Commercial Airplanes verbrachte, wo er sich auf die Entwicklung von CFD-Code spezialisierte, veröffentlichte seine neuen Ideen im Text 2012 Aerodynamik verstehen: Aus der realen Physik argumentieren.

Überlegen Da das Buch mehr als 500 Seiten mit einer ziemlich dichten technischen Analyse umfasst, ist es überraschend zu sehen, dass es einen Abschnitt (7.3.3) mit dem Titel „Eine grundlegende Erklärung des Auftriebs auf einem Tragflügel, der für ein nichttechnisches Publikum zugänglich ist“ enthält. Das Produzieren dieser 16 Seiten war für McLean, einen Meister des Fachs, nicht einfach; tatsächlich war es „wahrscheinlich der schwierigste Teil des Buches zu schreiben“, sagt der Autor. „Es gab mehr Revisionen, als ich zählen kann. Ich war nie ganz zufrieden damit.“

McLeans komplexe Erklärung des Auftriebs beginnt mit der Grundannahme aller gewöhnlichen Aerodynamik: Die Luft um einen Flügel wirkt als „a kontinuierliches Material, das sich verformt, um den Konturen des Tragflügels zu folgen. “ Diese Verformung besteht in Form eines tiefen Flüssigkeitsstroms sowohl über als auch unter dem Flügel. „Das Schaufelblatt beeinflusst den Druck über einen weiten Bereich in einem sogenannten Druckfeld“, schreibt McLean. „Wenn ein Auftrieb erzeugt wird, bildet sich immer eine diffuse Wolke mit niedrigem Druck über dem Schaufelblatt, und eine diffuse Wolke mit hohem Druck bildet sich normalerweise darunter.“ . Wenn diese Wolken das Schaufelblatt berühren, stellen sie die Druckdifferenz dar, die einen Auftrieb auf das Schaufelblatt ausübt. “

Der Flügel drückt die Luft nach unten, was zu einer Abwärtsdrehung des Luftstroms führt. Die Luft über dem Flügel wird nach dem Bernoulli-Prinzip beschleunigt. Zusätzlich gibt es einen Bereich mit hohem Druck unterhalb des Flügels und einen Bereich mit niedrigem Druck oberhalb. Dies bedeutet, dass McLeans Erklärung des Auftriebs vier notwendige Komponenten enthält: eine Abwärtsdrehung des Luftstroms, eine Erhöhung der Luftstromgeschwindigkeit, einen Bereich mit niedrigem Druck und einen Bereich mit hohem Druck.

Aber das ist es Die Wechselbeziehung zwischen diesen vier Elementen ist der neuartigste und markanteste Aspekt von McLeans Bericht. „Sie unterstützen sich gegenseitig in einer wechselseitigen Ursache-Wirkungs-Beziehung, und ohne die anderen würde keine existieren“, schreibt er. „Die Druckunterschiede üben die Auftriebskraft auf das Schaufelblatt aus, während sich die Strömung nach unten dreht und sich ändert.“ Durchflussgeschwindigkeit halten die Druckunterschiede aufrecht.“Es ist diese Wechselbeziehung, die ein fünftes Element von McLeans Erklärung darstellt: die Reziprozität zwischen den anderen vier. Es ist, als ob diese vier Komponenten sich gemeinsam durch gleichzeitige Handlungen der gegenseitigen Schöpfung und Verursachung ins Leben rufen und erhalten.

Diese Synergie scheint einen Hauch von Magie zu enthalten. Der Prozess, den McLean beschreibt, ähnelt vier aktiven Agenten, die sich gegenseitig an den Bootstraps ziehen, um sich gemeinsam in der Luft zu halten. Oder, wie er anerkennt, handelt es sich um „kreisförmige Ursache und Wirkung“. Wie ist es möglich, dass jedes Element der Interaktion alle anderen unterstützt und verstärkt? Und was verursacht diese gegenseitige, wechselseitige, dynamische Interaktion? McLeans Antwort: Newtons zweites Bewegungsgesetz.

Newtons zweites Gesetz besagt dass die Beschleunigung eines Körpers oder eines Flüssigkeitspakets proportional zu der auf ihn ausgeübten Kraft ist. „Newtons zweites Gesetz besagt, dass eine Druckdifferenz, die einem Flüssigkeitspaket eine Nettokraft auferlegt, eine Änderung der Geschwindigkeit verursachen muss oder Richtung (oder beides) der Bewegung des Pakets “, erklärt McLean. Umgekehrt hängt der Druckunterschied von der Beschleunigung des Pakets ab und besteht aufgrund dieser.

Bekommen wir hier nicht etwas für nichts? McLean sagt nein: Wenn der Flügel in Ruhe wäre, würde kein Teil dieser sich gegenseitig verstärkenden Aktivität existieren. Die Tatsache, dass sich der Flügel durch die Luft bewegt, wobei jedes Paket alle anderen beeinflusst, bringt diese voneinander abhängigen Elemente ins Leben und erhält sie während des gesamten Fluges aufrecht.

Einschalten der Reziprozität des Auftriebs

Kurz nach der Veröffentlichung von Understanding Aerodynamics stellte McLean fest, dass er nicht alle Elemente des aerodynamischen Auftriebs vollständig berücksichtigt hatte, da er nicht überzeugend erklärte, warum sich der Druck auf den Flügel von der Umgebung ändert. Daher veröffentlichte McLean im November 2018 einen zweiteiligen Artikel in The Physics Teacher, in dem er „eine umfassende physikalische Erklärung“ des aerodynamischen Auftriebs vorschlug.

Obwohl der Artikel McLeans frühere Argumentation weitgehend wiedergibt, ist dies der Fall versucht auch, eine bessere Erklärung dafür hinzuzufügen, warum das Druckfeld ungleichmäßig ist, und die physikalische Form anzunehmen, die es hat. Insbesondere führt sein neues Argument eine gegenseitige Wechselwirkung auf Strömungsfeldebene ein, so dass das ungleichmäßige Druckfeld ein Ergebnis ist von einer ausgeübten Kraft die vom Tragflügel auf die Luft ausgeübte Abwärtskraft.

Ob McLeans Abschnitt 7.3.3 und sein Folgeartikel erfolgreich eine vollständige und korrekte Darstellung des Auftriebs liefern, kann interpretiert werden Es gibt Gründe, warum es schwierig ist, eine klare, einfache und zufriedenstellende Darstellung des aerodynamischen Auftriebs zu erstellen. Zum einen sind Flüssigkeitsströme komplexer und schwerer zu verstehen als die Bewegungen fester Objekte, insbesondere von Flüssigkeiten Strömungen, die sich an der Vorderkante des Flügels trennen und oben und unten unterschiedlichen physikalischen Kräften ausgesetzt sind. Einige der Streitigkeiten bezüglich des Aufzugs betreffen nicht die Tatsachen selbst, sondern vielmehr die Art und Weise, wie diese Tatsachen zu interpretieren sind, was möglicherweise Probleme mit sich bringt, die nicht experimentell zu entscheiden sind.

Dennoch gibt es derzeit nur wenige offene Fragen, die einer Erklärung bedürfen. Wie Sie sich erinnern werden, ist das Anheben das Ergebnis der Druckunterschiede zwischen dem oberen und dem unteren Teil eines Tragflügels. Wir haben bereits eine akzeptable Erklärung dafür, was im unteren Teil eines Tragflügels passiert: Die entgegenkommende Luft drückt auf den Flügel sowohl vertikal (Auftrieb) als auch horizontal (Luftwiderstand). Der Aufwärtsschub besteht in Form eines höheren Drucks unterhalb des Flügels, und dieser höhere Druck ist das Ergebnis einer einfachen Newtonschen Aktion und Reaktion.

Am oberen Ende des Flügels sieht es jedoch ganz anders aus. Dort existiert ein Bereich mit niedrigerem Druck, der auch Teil der aerodynamischen Auftriebskraft ist. Aber wenn weder Bernoullis Prinzip noch Newtons drittes Gesetz es erklären, was dann? Wir wissen aus Stromlinien, dass die Luft über dem Flügel eng an der Abwärtskrümmung des Tragflügels haftet. Aber warum müssen die Luftpakete, die sich über die Oberseite des Flügels bewegen, seiner Abwärtskrümmung folgen? Warum können sie sich nicht davon trennen und direkt zurückfliegen?

Mark Drela, Professor für Fluiddynamik am Massachusetts Institute of Technology und Autor von Flight Vehicle Aerodynamics, gibt eine Antwort: „Wenn die Pakete vorübergehend sind Wenn sie tangential zur Oberseite des Schaufelblatts abflogen, würde buchstäblich ein Vakuum unter ihnen entstehen “, erklärt er.„ Dieses Vakuum würde dann die Pakete absaugen, bis sie das Vakuum größtenteils ausfüllen, dh bis sie sich wieder tangential zum Schaufelblatt bewegen . Dies ist der physikalische Mechanismus, der die Pakete zwingt, sich entlang der Tragflächenform zu bewegen. Es bleibt ein leichtes Teilvakuum, um die Pakete in einem gekrümmten Pfad zu halten. “

Durch Abziehen oder Herunterziehen dieser Luftpakete von den benachbarten Paketen oben wird der Bereich mit niedrigerem Druck auf dem Flügel erzeugt.Ein weiterer Effekt begleitet diese Aktion: die höhere Luftströmungsgeschwindigkeit auf dem Flügel. „Der verringerte Druck über einem Hubflügel zieht auch horizontal an Luftpaketen, wenn sie sich von stromaufwärts nähern, sodass sie eine höhere Geschwindigkeit haben, wenn sie über dem Flügel ankommen“, sagt Drela. „Also die erhöhte Geschwindigkeit über dem Hubflügel.“ kann als Nebeneffekt des dortigen Druckmangels angesehen werden. “

Aber wie immer wird ein anderer Experte eine andere Antwort haben, wenn es darum geht, das Heben auf nichttechnischer Ebene zu erklären. Der Cambridge-Aerodynamiker Babinsky sagt: „Ich hasse es, meinem geschätzten Kollegen Mark Drela nicht zuzustimmen, aber wenn die Schaffung eines Vakuums die Erklärung wäre, dann ist es schwer zu erklären, warum sich die Strömung manchmal trotzdem von der Oberfläche trennt. Aber er hat Recht.“ Alles andere. Das Problem ist, dass es keine schnelle und einfache Erklärung gibt. “

Drela selbst räumt ein, dass seine Erklärung in gewisser Weise unbefriedigend ist.„ Ein offensichtliches Problem ist, dass es keine Erklärung gibt, die allgemein akzeptiert wird ,“ er sagt. Wo bleibt uns das? Genau dort, wo wir angefangen haben: mit John D. Anderson, der sagte: „Es gibt keine einfache Einzeiler-Antwort darauf.“