5. Auftrieb in Luft – Traum vom Fliegen

5. Auftrieb in Luft – Fliegen

5. Auftrieb in Luft – Traum vom Fliegen


5.1 Statischer Auftrieb in GasenWiederhole: Auftrieb in Flüssigkeiten.

Jeder Körper verdrängt Luft.


Versuch:

Wir leiten CO2 in das Becherglas, ein.

Auftriebswaage befindet sich in einem Becherglas und ist in Luft im Gleichgewicht.

Ergebnis: Der Auftrieb in CO2 ist größer als in Luft, weil das Gewicht des verdrängten CO2 größer ist.

Die Kugel steigt.


Versuch:

Wir pumpen den Rezipienten aus.

Auftriebswaage befindet sich unter dem Rezipienten einer Vakuumpumpe und ist in Luft im Gleichgewicht.

Ergebnis: Der Auftrieb im Vakuum ist kleiner als in Luft, weil fast keine Luft verdrängt wird.

Die Kugel sinkt.

Rezipient

→ Der Auftrieb ist gleich dem Gewicht der verdrängten Luft (des verdrängten Gases).


Anwendungen des Auftriebs

Luftballon:

Gebrüder Montgolfiere (1783)

Aufstieg der Montgolfière am 21. November 1783


Anwendungen des Auftriebs

Wir unterscheiden:

Gasluftballon: Dieser wird mit Helium gefüllt (leichter als Luft).Früher verwendete man Wasserstoff, dieser ist aber brennbar und daher sehr gefährlich.

Heißluftballon: Er wird mit heißer Luft gefüllt.

Luftballone können nur durch die Winde gesteuert werden.


Bertrand Piccard startete am 1. März 1999, zusammen mit dem Briten Brian Jones als Co-Pilot, mit dem Breitling Orbiter 3 in Château-d'Œx in der Schweiz und landete nach 46.759 Kilometern Flug am 21. März 1999 in der Wüste in Ägypten. In 19 Tagen, 21 Stunden und 55 Minuten schaffte er die erste Weltumrundung ohne Zwischenlandung. Er hat damit den längsten Flug sowohl in Dauer als auch in Entfernung der ganzen Luftfahrtgeschichte verwirklicht und insgesamt 7 Weltrekorde aufgestellt.

Dabei erreichten sie eine Rekordhöhe von 11.737 Metern.

Buch: Bertrand Piccard, Brian Jones: Mit dem Wind um die Welt.

http://www.pilotundluftschiff.de/3890291457.htm

http://de.wikipedia.org/wiki/Brian_Jones_%28Flugpionier%29

http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%84gypten

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Breitling_Orbiter_3.jpg


Luftschiffe - ZeppelinSie werden wie ein Gasballon durch einen mit Helium gefüllten Körper getragen. Sie werden durch einen Propeller angetrieben und sind steuerbar.


Technische Daten der LZ N07


Überlege und beantworte:

1. Welches Volumen müsste ein wasserstoffgefüllter Ballon mindestens haben, damit er dein Gewicht tragen kann? Vernachlässige dabei das Gewicht des Ballons!

2. Um das Wievielfache ist der Auftrieb im Wasser größer als in der Luft?

3. Ist der Auftrieb eines Heißluftballons im Sommer oder im Winter größer?

4. Schätze ab, wie groß der Auftrieb deines Körpers in der Luft ist! Spielt er bei der Gewichtsmessung eine Rolle?

5. Warum steigt warme Luft auf?


Beim Zeppelin NT bildet die Hülle auch gleichzeitig die einzige Gaszelle. Ihr Volumen beträgt beim NT 07 8225 m³ bei einer Länge von 75 und einem Durchmesser von 14,2 Metern. Sie besteht aus einem dreischichtigen Laminat und ist mit Helium gefüllt. Antrieb und Steuerung Die HeckpropelleranordnungMit seinen drei 5,9-Liter-Vierzylinder-Boxermotoren vom Typ Textron Lycoming IO-360 mit einer Leistung von je 147 kW und den schwenkbaren Luftschrauben verfügt der Zeppelin NT über sehr gute Manövriereigenschaften..RekordeDer Zeppelin NT 07 ist seit seinem Erstflug das größte aktive Luftschiff der Welt (Stand Ende 2005).Am 27. Oktober 2004 stellte der amerikanische Milliardär und Abenteurer Steve Fossett, Er durchflog eine 1000-m-Messstrecke in beiden Richtungen mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 111,8 Kilometern in der Stunde. Der alte Rekord eines Lightship A-60+ vom 19. Januar 2000 lag bei 92,8 Kilometern in der Stunde.

http://de.wikipedia.org/wiki/Laminat

http://de.wikipedia.org/wiki/Boxermotor

http://de.wikipedia.org/wiki/Lycoming_O-360




http://de.wikipedia.org/wiki/Leistung_%28Physik%29

http://de.wikipedia.org/wiki/Watt_%28Einheit%29

http://de.wikipedia.org/wiki/Steve_Fossett

http://de.wikipedia.org/wiki/Steve_Fossett

http://de.wikipedia.org/wiki/Lightship_A-60

http://de.wikipedia.org/wiki/Lightship_A-60


5.2 Der Luftwiderstand

Versuch:

Luftwiderstand im Alltag:

Gehen im Wind.

Radfahren bei Gegenwind.

Häuser werden vom Wind „umströmt“.

Wir stellen eine Platte in die Strömung von Wasser (in Luft ist das ähnlich).

Ergebnis:

An der Rückseite der Platte bilden sich Wirbel.


Versuch: Auf einer Drehwaage befestigen wir verschiedene Körper, die von einem Luftstrom angeblasen werden.


Messanordnung zur Messung des Strömungswiderstandes



Messung des Strömungswiderstandes:

Kugelschale

Kreisscheibe

Kugel

Kugelschale

…….

…….

…….

…….

…….

Stromlinienkörper

Widerstandskraft


EndeEnde

Wirbelwiderstand: Newtonreibung

Kugelschale

Kreisscheibe

Kugel

Kugelschale

cW ... Widerstandsbeiwert

Auto

0,2 (v klein) – 0,45 (v groß)

1,4 – 1,6

1,1

0,4

0,05

0,3 – 0,4

Stromlinienkörper

221

WW vAcF


Der Luftwiderstand nimmt mit der Strömungsgeschwindigkeit und mit der Querschnittsfläche des Körpers zu. Er hängt außerdem von der Form des Körpers ab.



Stromlinienbilder


Stromlinienbilder (Rauch in schnellströmender Luft)Stromlinienbilder (Rauch in schnellströmender Luft)

laminar

turbulent


HalbkugelschaleHalbkugelschaleHalbkugelschaleHalbkugelschale Halbkugel mit LochHalbkugel mit LochHalbkugel mit LochHalbkugel mit Loch




5.3 Aerodynamischer AuftriebRuhende Luft übt auf einen Körper einen statischen Druck aus.

Wie ist das bei strömender Luft?

Versuch:

Zwei Postkarten werden aufgehängt.

Bläst man einen Luftstrom durch die beiden, bewegen sie sich.

Ergebnis: In strömender Luft ist der Druck auf die angrenzenden Flächen umso geringer, je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist.


WasserstrahlpumpeWasserstrahlpumpe

Wasser

Luft

Anwendungen:

ZerstäuberZerstäuber


Hast du schon in einer Dusche mit Duschvorhang geduscht?

Was bemerktest du dabei?

Was bemerkst du, wenn du mit dem Fahrrad unterwegs bist und ein LKW mit relativ hoher Geschwindigkeit an dir vorbeifährt?

Auch das Abdecken eines Hausdaches durch den Wind kann durch den Unterdruck, den strömende Luft hervorruft, erklärt werden.


3,41 g

Waage

Winderzeuger

AnstellwinkelVersuch:

Miss den Auftrieb bei verschiedenen Anstellwinkeln!

Ohne Wind: FG = ………

Mit Wind:




Anstellwinkel m FG =m·g Dynamischer Auftrieb

α = 5°

α = 10°

α = 15°

α = 20°

Der Anstellwinkel sollte nicht zu groß und nicht zu klein sein.

Gewicht ohne Wind: FG =


Erklärung des dynamischen Auftriebs

Aufgrund elastischer Stöße werden die Luftmoleküle auf der Tragflächenunterseite nach unten umgelenkt.

Wegen der leichten Krümmung und Neigung der Tragfläche werden auf der Oberseite die Stromlinien zusammengedrängt. Dort entsteht ein Unterdruck, unterhalb ein Überdruck.


Aufgrund der unterschiedlichen Wege zwischen unten und oben und wegen der Reibung an der Tragfläche bildet sich hinter dem Flügel ein Anfahrwirbel.

Dieser hat eine entgegengesetzte Zirkulation um den Tragflügel zur Folge.

Dadurch nimmt die obere Geschwindigkeit etwas zu, die untere etwas ab.


voben

vunten

poben

punten

MagnuseffektMagnuseffektMagnuseffekt


TopspinTopspin SliceSliceTopspin - Slice


voben

vunten

poben

punten

Tragflügel eines FlugzeugsTragflügel eines Flugzeugs


Der dynamische Auftrieb entsteht also durch mehrere Effekte:

Den Stoßeffekt

Durch einen Überdruck an der Unterseite und einen Unterdruck auf der Oberseite des Tragflügels.

Der aerodynamische Auftrieb eines Flügels hängt ab von seiner Form, seiner Größe, vom Anstellwinkel, von der Geschwindigkeit und von der Dichte der ihn umgebenden Luft.


Kräfte am Flugzeug

Vortrieb

Dynamischer Auftrieb

Gewicht

Reibung

Der dynamische Auftrieb gleicht das Gewicht aus,

die Schubkraft überwindet den Luftwiderstand.


Wie steuert man ein Flugzeug?

Lies Buch Gollenz u. a. Physik 2 Seite 76ff.


Wie steigt ein Flugzeug?

Beantworte:

Wie erfolgt eine Kurve?

Steuerungseinrichtungen: Steuerhorn/Steuerknüppel und die beiden Seitenruderpedale

Wie funktioniert ein Hubschrauber?


Wie steigt ein Flugzeug?

Wird der Steuerknüppel oder das Steuerhorn zurückgezogen, richten sich die Höhenruder auf, wodurch das Heck gesenkt wird und der Bug für den Aufstieg hochgehoben wird. Mit der Vorwärtsbewegung des Steuerknüppels oder Steuerhorns wird die entgegengesetzte Wirkung erzeugt, so dass das Flugzeug nach unten fliegt.

Die Seitenruder sorgen für die Drehbewegung. Zusammen mit den Querrudern verändern sie den Kurs des Flugzeuges nach links oder rechts. Wird der rechte Seitenruderfuß betätigt, bewegt das Seitenruder das Flugzeug um die Hochachse nach rechts.

Wie erfolgt eine Kurve?

Bewegt man den Steuerknüppel oder das Steuerhorn nach rechts, wird das rechte Querruder aufgerichtet und das linke heruntergeklappt, wodurch das Flugzeug in die rechte Schräglage gebracht wird.




TaumelscheibeTaumelscheibe

HubschrauberHubschrauber können senkrecht nach oben und nach vorwärts fliegen.

Zum Vorwärtsflug werden die Anstellwinkel der rotierenden Flügel verändert.

Der Heckpropeller verhindert eine Drehung des Hubschraubers um die vertikale Richtung.


Geschichtliches zum FlugwesenLies Buch Gollenz u. a. Physik 2 Seite 80


Beispiel: Airbus A310


Auftrieb in Luft

1. Das Gewicht eines Körpers ist im Vakuum□ größer als□ gleich wie□ kleiner als sein Gewicht in Luft.

2. Die Masse eines Körpers ist im Vakuum□ größer als□ gleich groß wie□ kleiner als seine Masse in Luft.

Statischer Auftrieb in Gasen3. Wie groß ist der Auftrieb eines Körpers in einem Gas?

4. Die Tragkraft eines Ballons ist umso größer, je□ größer □ kleiner sein Volumen und je □ größer □ kleiner die Dichte des Füllgases ist.

Der Auftrieb ist gleich dem Gewicht des verdrängten Gases.

2 P.

2 P.

2 P.


5. Berechne den Auftrieb deines Körpers in der Luft und vergleiche ihn mit deinem Gewicht! Beachte: Maßzahl der Masse in kg ist ungefähr Maßzahl des Volumens in dm3!

Der Luftwiderstand6. Wodurch wird der Luftwiderstand eines Körpers verursacht?

FA = V·ρL·g V ≈ 50 dm3 ρL = 0,00129 kg/dm3 g ≈ 10 N/kg

FA = 50·0,00129·10 = 0,645 N

Durch den Stau (Überdruck) an der Vorderseite und den Sog (Unterdruck) an der Rückseite des Körpers.

1 P.

3 P.


7. Wie würdest du die Körper in obiger Abb. nach der Größe ihres Luftwiderstandes ordnen?

Luftstrom von links. Beginne kleinsten Widerstand mit 1!

8. Der Strömungswiderstand eines Körpers hängt von ab. Er wächst mit der Größe der Querschnittsfläche und der

Strömungsgeschwindigkeit.

9. Warum ist beim Autofahren der Kraftstoffverbrauch so stark von der Fahrgeschwindigkeit abhängig?

1 23 4

der Form

Weil mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit der Luftwiderstand wächst. Doppelte Geschwindigkeit → vierfacher Luftwiderstand.

1 P.

2 P.

2 P.


Aerodynamischer Auftrieb10. Bei einem Sturm werden die Dachziegel eines Hauses vorwiegend wegen des □ Überdrucks auf der Unterseite, □ Unterdrucks auf der Oberseite abgehoben.11. Was ist die Voraussetzung für den dynamischen Auftrieb eines Flugzeuges?

12. Ein Ballon kann sich wegen des□ statischen □ dynamischen Auftriebs in der Luft halten.

13. Welchen Vorteil hat ein Hubschrauber gegenüber einem Flugzeug?Er braucht keine Start- bzw. Landebahn. Er kann senkrecht steigen, in der Luft schweben und vorwärts fliegen.

Eine Bewegung gegenüber der umgebenden Luft.Geschwindigkeit muss entsprechend groß sein. Dann sind die drei Effekte (Stoßeffekt, Bernoulli-Effekt und Zirkulationseffekt) wirksam.

1 P.

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1 P.

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