Facharbeit: dynamischer Auftrieb

Diskutiere Facharbeit: dynamischer Auftrieb im Luftfahrtgrundlagen Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Hallo Leute, ich schreibe zurzeit meine Facharbeit in Physik mit dem Thema: "Vorraussetzungen und Grenzen des Bernoulli-Effekts am Bsp. des...

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  1. PakMan

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    Hallo Leute,
    ich schreibe zurzeit meine Facharbeit in Physik mit dem Thema: "Vorraussetzungen und Grenzen des Bernoulli-Effekts am Bsp. des Dynamischen Auftriebs" Eigentlich wollte ich erstmal nur etwas über den dynamischen Auftrieb schreiben, da aber die FA eine Problematik (als Schwerpunkt) ansprechen sollte, hat mir mein Lehrer das oben stehende Thema formuliert. Zudem müssen auch fächerübergreifende Aspekte enthalten sein. Meine bisherigen Überlegungen zum Thema Grenzen sind folgende: Anstellwinkel der Tragflächen (da dieser nur bis zu einem bestimmten Winkel Auftriebskraft erzeugt), Wirbelbildung (Welche und Wie Wirbel entstehen und in wieweit sie hindernd wirken), Oberfläche (dazu hab ich bisher leider nur sehr wenig gefunden) und Flügelprofile (welche sind kommen für Flugzeuge am meisten in frage?)

    Die gesammte Struktur meiner FA sieht so aus (zumindest so überlegt):

    • Einleitung (Fluggeschichte) (1 Seite)
    • Daniel Bernoulli (wer war er/was hat er gemacht? ) (1-2 Seiten)
    • Bernoulli-Effekt (Herleitung der Formel) (1-2 Seiten)
    • Vorraussetzungen (1 Seite)
    • Grenzen (Flügelprofil, Oberfläche, Anstellwinkel [evt. Luftklappen], Wirbelbildung) (4-6 Seiten) (Schwerpunkt)
    • Fachübergreifende Aspekte: Bezug zu Vögel / zum Blutgefäßsystem (2-4 Seiten)
    • Beispiele: Goflballoberfläche [Luft als "Schmierschicht], Eckbälle [Magnus-Effekt], weitere "Effekte" die im Alltag auftreten [die auf dem Bernoulli-Effekt zurückzuführen sind] (2-3 Seiten)
    • Kräfte die ein Flugzeug überwinden muss (1-2 Seiten) (?)
    • einige Experimente (2-4 Seiten)

    Literatur die ich bereits habe:

    -Luftfahrt-Wissen - Herbert Groß (Motorbuch Verlag)
    -Flug ohne Motor - Winfried Kassera (Motorbuch Verlag :?!)
    -3 Bücher zur Experimentalphysik Mechanik
    -Physikalische Freihandexperimente Mechanik (Aules Verlag)

    Natürlich werde ich auch auf den eigentlichen Auftrieb eingehen (Zirkulationsströmung etc.), weiß nur noch nicht wo ich diesen punkt einfügen soll.

    Meine Fragen an euch sind:

    1) Sind die Punkte die zum Bereiche Grenzen aufgezählt worden sind in ordnung, passen da welche nicht rein oder würdet ihr eurer meinung nach etwas anderes einfügen wollen ?

    2) was sind eigentlich die vorraussetzungen zum bernoulli-effekt bzw. zum dynamischen Auftrieb - ein Fluid? (Links etc. wäre hilfreich)

    3) Könnt ihr etwas zum Thema Oberflächen sagen? hab nur wenig darüber gefunden (Links, Erklärungen, Literatur)

    weitere Fragen folgen noch, da mir manche entfallen sind :D

    Ich glaube das genügt erstmal, ich wäre euch echt sehr sehr dankbar wenn ihr mir hier helfen könntet und tipps geben würdet. falls etwas nicht verständlich ausgedrückt wurde, fragt mich einfach.

    PS: die FA soll einen umfang von etwa 20 seiten haben (Schriftgröße :12, Zeilenabstand 1,5, bis zu 50% bilder) und ist ein Bestandteil meines Abiturs (5.Prüfungkomponente)

    mfg pakman
     
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  3. #2 Schorsch, 17.10.2006
    Zuletzt bearbeitet: 17.10.2006
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    Vorweg: Ich studiere zwar gemäß meines Studentenausweises weiterhin fleißig Luft- und Raumfahrttechnik, hab mir aber die ganze Aero-Kagge weitestgehend vom Leibe gehalten. Davon gibt es genug und hier reicht mir das Wissen um die Tatsache, dass es da was gibt. Dahe kurz einige allgemeine Anmerkungen.

    Tach. Sei gegrüßt.

    Wirf die Mechanik-Bücher weg, Du willst sicherlich nicht bei Adam und Eva anfangen. Ich würde mit "populärwissenschaftlichen" wie 1 und 2 erstmal anfangen, dann Aero-Bücher bzw. Internet Dinge vertiefen.

    Es geht um Strömungsabriss. Alles andere sind Einflussfaktoren. Dazu bei Bedarf mehr. Aber es geht vor allem um Strömungsabriss.

    Erhaltung von Masse und Energie in einem geschlossenen stationären System für Bernoulli. Für den Auftrieb Impulsbilanz im geschlossenen System.

    Was genau meinst Du mit Oberfläche? Flügelfläche? Beschaffenheit?


    Außerdem: Backe von folgenden stets kleine.

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  4. VJ101

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    @Schorsch: jetzt wollt ich grad zu einer langatmigen und sicherlich auch bissigen Antwort auf deine Behauptung, Bernoulli habe nichts mit Auftrieb zu tun, ansetzen, aber da bist du mir doch noch rechtzeitig zuvorgekommen:TD:

    @PakMan: als populärwissenschaftliches Buch ist sicherlich auch "Die Technik des modernen Verkehrsflugzeuges" von Klaus Hünecke zu gebrauchen. Die Aerodynamik ist da eigentlich sehr verständlich und auch ausführlich dargstellt, neben vielen anderen interessanten Informationen, wenn mans nicht bis ins letzte Detail wissen möchte. Vielleicht kannst du es dir irgendwo leihen.

    Ansonsten weiß ich ja nicht wie gut dein Englisch ist, aber hier gibts sehr ausführliche Informationen, aber ich denke für einen Abiturienten und für die Facharbeit zu detailliert und kompliziert. Eine vergleichbare deutsche Seite hab ich bisher leider nicht finden können.
     
  5. #4 Schorsch, 17.10.2006
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    Mach es trotzdem mal. So 100 Pro hab ich es (offenbar) noch nicht geknallt.
     
  6. #5 PakMan, 18.10.2006
    Zuletzt bearbeitet: 18.10.2006
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    erstmal Danke für eure Antworten

    @Schorsch
    merke selber schon dass die diese sogenannten populärwissenschaftlichen Bücher besser zu lesen sind. Die Experimentaldinger hab ich deswegen ausgeliehen, damit ich eventuell Formeln einbringen kann, die zu den jeweiligen Punkten Bezug finden. (verstehen tue ich sie selber nicht so ganz :D)

    Und was genau gehört dort alles rein? Was mir auf Anhieb einfällt, ist ein zu hoher Anstellwinkel (>15°). Wenn du Links dazu hast, dann immer her damit :)

    Mit Oberfläche meine ich die Beschaffheit generell. Beim Golfball werden Dellen verwendet um den zu Wiederstand zuverringern. Könnte man das nicht auch beim Flugzeug anwenden, z.B. Dellen am Rumpf oder so ?

    @VJ101
    Das von dir genannte Buch habe ich reserviert und werde es demnächst abholen.

    Meint ihr es ist wichtig formelgebunden zuschreiben oder könnte man auch "populärwissenschaftlich" berichten. Denn mir wäre die zweite variante lieber.

    greetz pakman
     
  7. #6 tigerstift, 18.10.2006
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    Vielleicht hilft dir das hier weiter. Suche bei Google einfach mal ( Stichworte: Haifisch+Flugezug). Dort findest du genug zu dem Thema

    Zu diesem Thema haben wir hier einen recht aktuellen Thread --> http://www.flugzeugforum.de/forum/showthread.php?t=35610
     
  8. VJ101

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    Das hab ich befürchtet…also:
    Will man den Auftrieb vollständig beschreiben, geht das nur über Traglinienverfahren, Zirkulationsverteilungen oder Panelverfahren, aber das führt hier zu weit.
    Ein Fluid ist immer notwendig, im Weltall gibt es keinen Auftrieb, des Weiteren ist, wie Schorsch schon anmerkte, die Erhaltung von Masse und Energie essentiell (nicht nur hier sondern immer). Die Bernoulli-Gleichung lässt sich sowohl für stationäre (also ohne zeitliche Veränderung) als auch instationäre Strömungen sowie inkompressible oder kompressible Strömungen anwenden. Wir beschränken uns aber besser auf die stationäre inkompressible Strömung.
    Bernoulli sagt dann aus, dass die Summe aus statischem und dynamischen Druck in einer rotationsfreien Strömung konstant ist: p + 0.5 * rho * v² = const. (gilt wirklich nur für inkompressible Strömungen!!)
    Ist die Strömung rotationsbehaftet gilt dies nur entlang einer Stromlinie (also entlang einer Linie wie sie zB im Windkanal durch Rauch sichtbar gemacht werden kann).
    Aus der Gleichung ergibt sich bei Erhöhung der Geschwindigkeit eine Verringerung des Druckes und umgekehrt. Wird die Geschwindigkeit auf der Oberseite eines Profils erhöht, verringert sich also der Druck im Gegensatz zur Unterseite. Es entsteht der Unterdruck bzw. der Sog, der allgemein dafür verantwortlich gemacht wird, dass das Fugzeug fliegt. Die Geschwindigkeit erhöht sich automatisch, da das gewölbte Profil die anströmende Luft verdrängt. Dies ist der gleiche Effekt wie in einem Venturirohr. Der Massendurchsatz bleibt gleich, was bei sich ändernden Querschnitten nur durch eine Geschwindigkeitsanpassung erreicht werden kann.
    Das ganze Thema ist natürlich viel komplexer, aber das soll hier kein Aerodynamik-Thread werden.:cool:
     
  9. #8 VJ101, 18.10.2006
    Zuletzt bearbeitet: 18.10.2006
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    Beim Golfball funktioniert das nur, weil er recht schnell rotiert. Das ließe sich am Flugzeug schlecht verwirklichen:D
    Passend zu Flügeloberflächen grad heute ein Artikel im Spiegel erschienen: Wirbelreduzierung und Reibungsverringerung durch gezieltes Absaugen der Strömung durch Löcher in den Tragflächen,


    Ich kenn mich mit den Ansprüchen an Facharbeiten nicht aus, zu meiner Zeit gabs das noch nicht...aber ich würde sagen, bringe nur die wesentlichsten Formeln wie eben den einfachen Bernoulli, Auftriebsformel und so, du kannst dich da ganz schnell verrennen. Eine ordentliche und verständliche Umschreibung des Themas ist meiner Meinung nach viel mehr wert und wird auch lieber gelesen, ist aber auch recht anspruchsvoll auszuarbeiten.
    Desweiteren würde ich dem Herrn Bernoulli höchstens 1 Seite widmen, falls du überhaupt soviel brauchst.
    Und Kräfte die ein Flugzeug überwinden muss, lässt sich auch auf einer Seite beschreiben, mit einer schönen Grafik wie so etwas:

    (Gefunden hier)
     

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  10. #9 Schorsch, 19.10.2006
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    Das Absaugen der Grenzschicht ist wirklich ein ganz alter hut, aber wirklich umgesetzt hat es noch keiner. Wenn wir von Oberflächen sprechen, dann ist bei den meisten normalen Flugzeugen vor allem eine möglichst glatte wenig kontaminierte Oberfläche wichtig. Es gibt sicherlich Ausnahmen im Segelflug, aber im normalen Bereich ist die Grenzschicht nunmal turbulent. Was man verhindern will ist Verwirbelung. Die Verluste durch Oberfläche fallen unter die Kategorie Reibungswiderstand und machen einen wichtigen Widerstandsanteil aus.

    @VJ101:
    Also, ich denke Flugzeuge fliegen nicht wegen Bernoulli, sondern wegen den der Ablenkung der Luft und dem daraus resultierenden Kraft. (Ein) Grund ist die Viskosität der Luft. Bernoulli-Effekt ist eine Beobachtung am Tragflügel und sehr hilfreich zur Berechnung, aber die Luft schert sich doch nicht um Bernoullis Gleichungen, oder doch?

    Zur Grafik: Das Wort "Reibung" ist für den aerodynamischen Widerstand sehr ungünstig gewählt.
     
  11. VJ101

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    Richtig, aber immerhin wird hier aktuell geforscht an der Uni Stuttgart, das finde ich das eigentlich bemerkenswerte daran. Und der Kloker erklärt ja auch warum es bisher so schwierig war das vernünftig hinzubekommen, und wie sie das gelöst haben. Eben wegen der nicht willkürlich möglichen Anordnung der Absauglöcher.

    Natürlich fliegt das Flugzeug nicht wegen Bernoulli, der Apfel ist auch schon vor Newton zu Boden gefallen. Es ist wie du sagst: mit den Gleichungen von Bernoulli lassen sich die Effekte am Tragflügel beschreiben (Unterdruck und höhere Geschwindigkeit). Ich hab ja auch geschrieben das man zur richtigen Beschreibung des Auftriebs schöne komplizierte Verfahren braucht. Und ob der Auftrieb nun vom Impuls oder vom Druckunterschied kommt? Beides würde ich sagen, früher hieß es ja immer nur der Druck machts, bzw. der Sog aber die Umlenkung der Luft ist ja auch eine Tatsache und irgendwo muss der Impuls ja bleiben.

    Jaja, hab auf die Schnelle kein besseres gefunden.

    Schub <- -> Widerstand

    Ausschneiden und in die Grafik kleben.
     
  12. Acela

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    Würde theoretisch auch beim Flugzeug funktioneren, wenn man statt Tragflächen rotierende Walzen anbringen würde, die setzen das Bernoulli Prinzip ja optimal um...
     
  13. VJ101

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    Und sowas gab es schon mal, das Rotorflugzeug,nur ob es funktioniert hat, steht da nicht...Das Prinzip geht auf Anton Flettner zurück. Bei Schiffen mit sogenannten Flettnerrotoren wurde es schon erfolgreich eingesetzt, dann natürlich mit rotierenden Säulen.
     

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  14. #13 C.A.P.U.M., 21.10.2006
    C.A.P.U.M.

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    @ PakMan

    hätte da vielleicht noch nen Link für Dich.
    Guckst du hier: virtueller Windkanal
    Wenn auch dieser Link nicht weiter Hilft dann ist vielleicht bei den Links auf der Seite was brauchbares dabei.

    Viel Erfolg :TOP: wünscht
    CAPUM
     
  15. PakMan

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    @C.A.P.U.M: Die Seite hab ich bereits, trotzdem danke :)

    @all: ich hab mir nun folgende struktur zum punkt Grenzen überlegt:

    -Anstellwinkel
    (Überziehung/Stall, Anstellwinkel zu groß; Einsatz von Auftriebshilfen; laminare/turbulente Strömung)
    -Oberflächen
    (möglichst glatt um Verwirbelungen zu vermeiden; anwendung von "haifischhaut"/ absauglöcher)-Widerstandsarten (Formwiderstand/Druckwiderstand; Reibungswiderstand, induzierter Widerstand [Wirbelbildung], etc.)

    Wenn ihr noch irgendwo was ergänzen würdet bzw. bestimmte punkte überflüssig findet, dann sagts mir bitte.

    zum Auftrieb:
    ich habs folgendermaßen verstanden: ab einer bestimmten geschwindigkeit wird ein sogenannter anfahrtswirbel gebildet, dieser verursacht einen gegenwirbel welcher kontinuirlich um die tragfläche zirkuliert (Zirkulationsströmung) (siehe unten) nun addieren sich die luftströmungen oberhalb der tragfläche und erreichen somit eine größere geschwindigkeit, unten jedoch wird der luftstrom abgebremst, daher auch die langsamere geschwindigkeit. nun findet der bernoulli-effekt anwendung, welcher besagt dass fluide, die sich in bewegung befinden, einen geringeren druck haben als solche die sich gar nicht/langsamer bewegen (wie schon VJ101 in seinem Post beschrieben hat)

    Was ich nicht verstanden habe ist der Impulserhaltungsatz im Zusammenhang zu dem, was oben geschildert wurde. Könnte mir da jemand helfen?

    Wie erklärt man eigentlich die schnellere geschwindigkeit oberhalb des flügels ohne der zirkulationsströmungs?

    Und was mich auch noch interessieren würde, kann man die Wirbelschleppen eigentlich nutzen?

    das wärs erstmal :D

    greetz pakman
     

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  16. Acela

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    Der sogenannte Anfahrwirbelb bzw die Zirkulationsströmung ist ein heikles Thema, da sie nicht praktisch nachgewiesen werden kann. Das sie existiert, basiert auf theoretischen Vermutungen. Die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten auf und unter der Tragfläche basieren aber nicht nur auf dieser angenommenen Strömung, sondern auch bzw. hauptsächlich auf der Tragflächenwölbung, wodurch die Luft oben einen längeren Weg zurücklegen muss, und darum schneller strömt. Das ist der Hauptgrund für den Auftrieb.
     
  17. #16 tigerstift, 22.10.2006
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    Google mal nach dem Magnus Effekt. Dieser ist für die Zirkulation verantwortlich
     
  18. VJ101

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    Die Luft strömt tatsächlich auf der Oberseite schneller, aber das es an dem unterschiedlich langen Weg auf Ober- und Unterseite liegt ist ein weit verbreiteter Irrglaube. Es gibt für 2 Luftteilchen die sich am vorderen Staupunkt des Profils trennen absolut keinen Grund, sich an der Hinterkante wieder zu treffen. Tatsächlich strömt die Luft auf der OS schneller, weil sie von der Wölbung verdrängt wird. Die Wölbung des Profils stellt sozusagen eine Engstelle dar, und in Engstellen strömt die Luft schneller. Genauso wie in einem Venturirohr. Die fehlende "feste" Wand wird durch die Umgebungsluft gebildet, die in genügend großer Entfernung vom Profil als ungestört angenommmen werden kann.

    PakMan hat das Prinzip der Zirkulation schon ganz richtig beschrieben. Der Anfahrwirbel lässt sich sogar im Windkanal visualisieren.
     
  19. VJ101

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    Das wäre schön, aber man versucht im Gegenteil die Wirbelschleppen so gering wie möglich ausfallen zu lassen. Dies bereitet den Aerodynamikern aber ziemliches Kopfzerbrechen. Die Wirbelschleppen entstehen ja an den Flügelspitzen dadurch, das Luft von der Unterseite um die Endkante auf die Oberseite strömt (wegen des Druckunterschiedes). Deshalb drehen die Wirbelschleppen sich auch immer nach innen. Diese Wirbel bilden den induzierten Widerstand und man versucht ihn zB durch das Anbringen von Winglets oder Endscheiben zu reduzieren.
     
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  21. #19 Schorsch, 22.10.2006
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    Ja, das geht. Allerdings ist die praktische Anwendung steinig. Forschungen und Flug-Tests dazu gibt es bereits.
     
  22. VJ101

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    Hast du dazu auch irgendwelche Links oder so? Das interessiert mich jetzt auch.
     
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