Curious Kids ist eine Serie, die sich an Kinder jeden Alters richtet. Wenn Sie eine Frage haben, die Ihnen ein Experte beantworten soll, senden Sie sie an neugierigkidsus@theconversation.com.
Wie fliegen Flugzeuge? – Benson, 10, Rockford, Michigan
Der Flug mit dem Flugzeug ist eine der bedeutendsten technischen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts. Die Erfindung des Flugzeugs ermöglichte es den Menschen, in weniger als einem Tag von einem Ende des Planeten zum anderen zu reisen, verglichen mit wochenlangen Reisen mit Boot und Bahn.
Für Luft- und Raumfahrtingenieure wie mich, die Flugzeuge, Raketen, Satelliten, Hubschrauber und Raumkapseln studieren und entwerfen, ist es eine ständige Herausforderung, genau zu verstehen, warum Flugzeuge fliegen.
Unsere Aufgabe ist es, mithilfe von Werkzeugen und Ideen aus Naturwissenschaften und Mathematik, wie Computersimulationen und Experimenten, sicherzustellen, dass das Fliegen in der Luft oder im Weltraum sicher und zuverlässig ist.
Dank dieser Arbeit ist das Fliegen mit dem Flugzeug das sicherste Transportmittel – sicherer als Autos, Busse, Züge oder Boote. Aber auch wenn Luft- und Raumfahrtingenieure unglaublich hochentwickelte Flugzeuge entwerfen, werden Sie vielleicht überrascht sein, dass es immer noch einige Details der Flugphysik gibt, die wir nicht vollständig verstehen.
Mögen die Kräfte mit dir sein
Luft- und Raumfahrtingenieure berücksichtigen beim Entwurf eines Flugzeugs vier Kräfte: Gewicht, Schub, Widerstand und Auftrieb. Ingenieure nutzen diese Kräfte, um die Form des Flugzeugs und die Größe der Flügel zu entwerfen und die Anzahl der Passagiere zu bestimmen, die das Flugzeug befördern kann.
Wenn beispielsweise ein Flugzeug startet, muss der Schub größer sein als der Luftwiderstand und der Auftrieb muss größer sein als das Gewicht. Wenn Sie einem Flugzeug beim Abheben zusehen, können Sie sehen, wie sich die Form der Flügel mithilfe von Klappen auf der Rückseite der Flügel verändert. Klappen tragen dazu bei, mehr Auftrieb zu erzeugen, aber sie erzeugen auch mehr Luftwiderstand, sodass ein leistungsstarker Motor erforderlich ist, um mehr Schub zu erzeugen.
Wenn das Flugzeug hoch genug ist und auf Ihr Ziel zufliegt, muss der Auftrieb das Gewicht und der Schub den Luftwiderstand ausgleichen. Dadurch kann der Pilot die Klappen einfahren und den Motor so einstellen, dass er weniger Leistung erzeugt.
Lassen Sie uns nun definieren, was Kraft bedeutet. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ist eine Kraft die Masse multipliziert mit der Beschleunigung, also F = ma.
Eine Kraft, der jeder täglich begegnet, ist die Schwerkraft, die uns auf dem Boden hält. Wenn Sie in der Arztpraxis gewogen werden, misst der Arzt tatsächlich die Kraft, die Ihr Körper auf die Waage ausübt. Wenn Ihr Gewicht in Pfund angegeben wird, ist es ein Maß für die Kraft.
Wenn ein Flugzeug fliegt, zieht die Schwerkraft das Flugzeug nach unten. Diese Kraft ist das Gewicht des Flugzeugs.
Aber seine Triebwerke treiben das Flugzeug vorwärts, weil sie eine Kraft namens Schub erzeugen. Motoren saugen Luft an, die Masse hat, und stoßen diese Luft schnell aus der Rückseite des Motors aus – es gibt also Masse mal Beschleunigung.
Nach dem dritten Newtonschen Gesetz gibt es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Wenn Luft hinter den Triebwerken entweicht, entsteht eine Reaktionskraft, die das Flugzeug nach vorne treibt: Dies wird als Schub bezeichnet.
Wenn das Flugzeug durch die Luft fliegt, stößt seine Form die Luft ab. Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz drückt diese Luft wiederum zurück, was zu einem Luftwiderstand führt.
Möglicherweise verspüren Sie beim Schwimmen ein ähnliches Ziehen. Paddeln Sie in einem Becken und Ihre Arme und Füße sorgen für Schub. Hören Sie auf zu paddeln und Sie bewegen sich weiter vorwärts, weil Sie Masse haben, aber Sie werden langsamer. Der Grund dafür, dass Sie langsamer werden, liegt darin, dass das Wasser Sie zurückdrängt – das ist der Widerstand.
Den Aufzug verstehen
Der Auftrieb ist komplizierter als die anderen Kräfte Gewicht, Schub und Widerstand. Es entsteht durch die Flügel eines Flugzeugs, und die Form des Flügels ist entscheidend; Diese Form wird als aerodynamisches Profil bezeichnet. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass die Ober- und Unterseite des Flügels gekrümmt sind, obwohl die Formen der Kurven voneinander abweichen können.
Wenn Luft um das Tragflächenprofil strömt, erzeugt sie Druck – eine Kraft, die sich über einen weiten Bereich verteilt. An der Oberseite des Flügelprofils entsteht ein geringerer Druck als an der Unterseite. Oder anders ausgedrückt: Luft bewegt sich über dem Tragflächenprofil schneller als darunter.
Um den Auftrieb zu verstehen, ist es wichtig zu verstehen, warum Druck und Geschwindigkeit oben und unten unterschiedlich sind. Indem wir unser Verständnis des Auftriebs verbessern, können Ingenieure treibstoffeffizientere Flugzeuge entwerfen und den Passagieren komfortablere Flüge bieten.
Das Rätsel
Warum sich Luft mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um ein Tragflächenprofil bewegt, bleibt rätselhaft und Wissenschaftler untersuchen diese Frage noch immer.
Luft- und Raumfahrtingenieure haben diese Drücke an einem Flügel während Windkanalexperimenten und während des Fluges gemessen. Wir können Modelle verschiedener Flügel erstellen, um vorherzusagen, ob sie gut fliegen werden. Wir können den Auftrieb auch ändern, indem wir die Form eines Flügels ändern, um Flugzeuge zu schaffen, die lange Strecken fliegen oder sehr schnell fliegen.
Obwohl wir noch nicht genau wissen, warum Auftrieb entsteht, arbeiten Luft- und Raumfahrtingenieure mit mathematischen Gleichungen, die die unterschiedlichen Geschwindigkeiten an der Ober- und Unterseite des Tragflächenprofils nachbilden. Diese Gleichungen beschreiben einen Prozess namens Zirkulation.
Die Zirkulation bietet Luft- und Raumfahrtingenieuren die Möglichkeit, zu modellieren, was um einen Flügel herum passiert, auch wenn wir nicht vollständig verstehen, warum es passiert. Mit anderen Worten: Durch den Einsatz von Mathematik und Naturwissenschaften sind wir in der Lage, sichere und effiziente Flugzeuge zu bauen, auch wenn wir den Prozess hinter ihrem Betrieb nicht vollständig verstehen.
Wenn Luft- und Raumfahrtingenieure letztendlich verstehen können, warum die Luft je nach Flügelseite mit unterschiedlicher Geschwindigkeit strömt, können wir Flugzeuge konstruieren, die weniger Treibstoff verbrauchen und weniger die Umwelt verschmutzen.
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Und da Neugier keine Altersgrenze kennt – Erwachsene, lassen Sie uns auch wissen, was Sie sich fragen. Wir werden nicht jede Frage beantworten können, aber wir werden unser Bestes geben.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Craig Merrett, Clarkson-Universität
Erfahren Sie mehr:
Craig Merrett erhält Fördermittel vom Office of Naval Research und L3Harris. Er ist Mitglied des American Institute for Aeronautics and Astronautics und ein lizenzierter professioneller Ingenieur in Ontario, Kanada. Dr. Merrett ist außerordentlicher Professor am Fachbereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Clarkson University, Potsdam, New York.