Hier auf der Erde neigen wir dazu, den Luftwiderstand (auch bekannt als „Drag“) für selbstverständlich zu halten. Wir gehen einfach davon aus, dass, wenn wir einen Ball werfen, ein Flugzeug starten, ein Raumfahrzeug aus der Umlaufbahn nehmen oder eine Kugel aus einer Waffe abfeuern, die Bewegung des Balls durch unsere Atmosphäre diese natürlich verlangsamt. Aber was ist der Grund dafür? Wie kann Luft ein Objekt verlangsamen, sei es im freien Fall oder im Flug?
Aufgrund unserer Abhängigkeit von Flugreisen, unserer Begeisterung für die Erforschung des Weltraums und unserer Liebe zum Sport und zum Fliegen von Dingen (einschließlich uns selbst) ist das Verständnis des Luftwiderstands der Schlüssel zum Verständnis Physik , und ein integraler Bestandteil vieler wissenschaftlicher Disziplinen. Als Teil der als Fluiddynamik bekannten Teildisziplin gilt sie für Bereiche der Aerodynamik, Hydrodynamik, Astrophysik und Kernphysik (um nur einige zu nennen).
Definition:
Der Luftwiderstand beschreibt per Definition die Kräfte, die der relativen Bewegung eines Objekts beim Durchgang durch die Luft entgegenwirken. Diese Widerstandskräfte wirken der ankommenden Strömungsgeschwindigkeit entgegen und verlangsamen so das Objekt. Im Gegensatz zu anderen Widerstandskräften hängt der Widerstand direkt von der Geschwindigkeit ab, da er die Komponente der aerodynamischen Nettokraft ist, die entgegen der Bewegungsrichtung wirkt.
Eine andere Möglichkeit wäre zu sagen, dass der Luftwiderstand das Ergebnis von Kollisionen der vorderen Oberfläche des Objekts mit Luftmolekülen ist. Es kann daher gesagt werden, dass die beiden häufigsten Faktoren, die einen direkten Einfluss auf den Luftwiderstand haben, die Geschwindigkeit des Objekts und die Querschnittsfläche des Objekts sind. Ergo führen sowohl erhöhte Geschwindigkeiten als auch Querschnittsflächen zu einem erhöhten Luftwiderstand.
Bild, das ein Geschoss und die umströmende Luft zeigt, um den Luftwiderstand visuell darzustellen. Credits: Andrew Davidhazy/Rochester Institute of Technology
In der Aerodynamik und im Flug bezieht sich der Luftwiderstand sowohl auf die Kräfte, die dem Schub entgegen wirken, als auch auf die senkrecht dazu wirkenden Kräfte (d. h. Auftrieb). In der Astrodynamik ist der Luftwiderstand je nach Situation sowohl eine positive als auch eine negative Kraft. Dies ist sowohl eine Belastung für Treibstoff und Effizienz beim Abheben als auch eine Treibstoffeinsparung, wenn ein Raumfahrzeug aus der Umlaufbahn zur Erde zurückkehrt.
Berechnung des Luftwiderstands:
Der Luftwiderstand wird normalerweise mit der „Luftwiderstandsgleichung“ berechnet, die die Kraft bestimmt, die ein Objekt erfährt, das sich mit relativ großer Geschwindigkeit durch eine Flüssigkeit oder ein Gas bewegt. Mathematisch lässt sich dies wie folgt ausdrücken:
In dieser GleichungFDstellt die Widerstandskraft dar,Pist die Dichte der Flüssigkeit,vist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Schall,ZUdie Querschnittsfläche ist undCDist der Luftwiderstandsbeiwert. Das Ergebnis ist der sogenannte „quadratische Widerstand“. Sobald dies bestimmt ist, erfordert die Berechnung der zum Überwinden des Luftwiderstands erforderlichen Leistung einen ähnlichen Prozess, der mathematisch ausgedrückt werden kann als:
Hier,Pdist die Kraft, die benötigt wird, um die Widerstandskraft zu überwinden,Fdist die Widerstandskraft, v ist die Geschwindigkeit,Pist die Dichte der Flüssigkeit,vist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Schall,ZUdie Querschnittsfläche ist undCDist der Luftwiderstandsbeiwert. Wie es zeigt, ist der Leistungsbedarf das Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn also 10 PS benötigt werden, um 80 km/h zu fahren, werden 80 PS benötigt, um 160 km/h zu fahren. Kurzum, eine Verdoppelung der Geschwindigkeit erfordert eine achtfache Kraftanwendung.
Ein F-22 Raptor, der eine Geschwindigkeit erreicht, die hoch genug ist, um einen Überschallknall zu erzeugen. Bildnachweis: strangesounds.org
Arten des Luftwiderstands:
Es gibt drei Hauptarten von Luftwiderstand in der Aerodynamik – Auftriebsinduziert, Parasitär und Welle. Jeder beeinflusst die Fähigkeit eines Objekts, in der Luft zu bleiben, sowie die Energie und der Treibstoff, die erforderlich sind, um es dort zu halten. Auftriebsinduzierter (oder nur induzierter) Widerstand entsteht als Ergebnis der Erzeugung von Auftrieb an einem dreidimensionalen Auftriebskörper (Flügel oder Rumpf). Es hat zwei Hauptkomponenten: Wirbelwiderstand und auftriebsinduzierten viskosen Widerstand.
Die Wirbel entstehen durch das turbulente Mischen von Luft mit unterschiedlichem Druck auf der Ober- und Unterseite des Körpers. Diese werden benötigt, um Auftrieb zu erzeugen. Wenn der Auftrieb zunimmt, nimmt auch der auftriebsinduzierte Widerstand zu. Für ein Flugzeug bedeutet dies, dass mit zunehmendem Anstellwinkel und Auftriebsbeiwert bis zum Strömungsabriss auch der auftriebsinduzierte Widerstand steigt.
Im Gegensatz dazu wird parasitärer Widerstand durch die Bewegung eines festen Objekts durch eine Flüssigkeit verursacht. Diese Art von Widerstand besteht aus mehreren Komponenten, zu denen „Formwiderstand“ und „Hautreibungswiderstand“ gehören. In der Luftfahrt ist der induzierte Widerstand bei niedrigeren Geschwindigkeiten tendenziell größer, da ein hoher Anstellwinkel erforderlich ist, um den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird dieser Widerstand viel geringer, aber der parasitäre Widerstand nimmt zu, da die Flüssigkeit schneller um hervorstehende Objekte strömt und die Reibung erhöht. Die kombinierte Gesamtwiderstandskurve ist bei einigen Fluggeschwindigkeiten minimal und wird bei oder nahe ihrer optimalen Effizienz sein.
Space Shuttle Columbia startet am 12. April 1981 zu seiner Jungfernfahrt. Bildnachweis: NASA
Der Wellenwiderstand (Kompressibilitätswiderstand) wird durch das Vorhandensein eines Körpers erzeugt, der sich mit hoher Geschwindigkeit durch ein komprimierbares Fluid bewegt. In der Aerodynamik besteht der Wellenwiderstand je nach Geschwindigkeitsregime des Fluges aus mehreren Komponenten. Beim transsonischen Flug – bei Geschwindigkeiten von Mach 0,5 oder mehr, aber immer noch weniger als Mach 1,0 (auch Schallgeschwindigkeit genannt) – ist der Wellenwiderstand das Ergebnis einer lokalen Überschallströmung.
Überschallströmung tritt bei Körpern auf, die sich weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegen, da die lokale Luftgeschwindigkeit an einem Körper zunimmt, wenn sie über den Körper beschleunigt. Kurz gesagt, Flugzeuge, die mit transsonischen Geschwindigkeiten fliegen, erleiden dadurch oft einen Wellenwiderstand. Dies nimmt zu, wenn sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs der Schallmauer von Mach 1,0 nähert, bevor es zu einem Überschallobjekt wird.
Beim Überschallflug ist der Wellenwiderstand das Ergebnis schräger Stoßwellen, die an der Vorder- und Hinterkante des Körpers gebildet werden. Bei Strömungen mit starkem Überschall bilden sich stattdessen Bugwellen. Bei Überschallgeschwindigkeiten wird der Wellenwiderstand im Allgemeinen in zwei Komponenten unterteilt, den überschallauftriebsabhängigen Wellenwiderstand und den überschallvolumenabhängigen Wellenwiderstand.
Die Rolle der Luftreibungen beim Fliegen zu verstehen, ihre Mechanik zu kennen und die Art der Kraft zu kennen, die zu ihrer Überwindung erforderlich ist, sind für die Luft- und Raumfahrt und Weltraumforschung von entscheidender Bedeutung. All dies zu wissen wird auch entscheidend sein, wenn es darum geht, andere Planeten in unserem Sonnensystem und in anderen Sternensystemen insgesamt zu erkunden!
Wir haben viele Artikel über Luftwiderstand und Flug hier bei Universe Today geschrieben. Hier ist ein Artikel über Was ist Endgeschwindigkeit? , Wie fliegen Flugzeuge? , Was ist der Reibungskoeffizient? , und Was ist die Schwerkraft?
Weitere Informationen zu den Flugzeugprogrammen der NASA finden Sie im Anfängerleitfaden zur Aerodynamik , und hier ist ein Link zum Gleichung ziehen .
Wir haben auch viele verwandte Episoden von Astronomy Cast aufgenommen. Hör zu, Folge 102: Schwerkraft .
