Wie funktioniert ein Flugzeugflügel?

Das Flugzeug kann die lebensveränderndste Erfindung des 20. Jahrhunderts sein oder auch nicht; Argumente für alle möglichen anderen Innovationen, einschließlich Antibiotika, Computerprozessoren und das Aufkommen der drahtlosen globalen Kommunikationstechnologie, können eindeutig angeführt werden. Doch nur wenige dieser Erfindungen, wenn überhaupt, tragen sowohl die visuelle Größe als auch den angeborenen menschlichen Geist des Wagemuts und der Erforschung in sich wie das Flugzeug.

Der Großteil eines typischen Flugzeugs ist von anderen großen Passagierfahrzeugen kaum zu unterscheiden; Es besteht aus einem röhrenförmigen Abteil, in dem Passagiere, die verantwortlichen Personen und andere transportierte Gegenstände sitzen. Außerdem haben die meisten Flugzeuge Räder; die meisten Beobachter würden sie nicht als Hauptmerkmal sehen, aber die meisten Flugzeuge könnten ohne sie nicht starten oder landen.

Das wichtigste physikalische Merkmal, das ein Flugzeug jedoch sofort identifizierbar macht, sind eindeutig seine Tragflächen. In gewisser Weise tragen auch die Tragstrukturen, über die Sie lesen werden, zum charakteristischen Erscheinungsbild eines Flugzeugs bei, aber der Flügel ist irgendwie der überzeugendste; Trotz seiner täuschend einfachen Erscheinung ist der Flugzeugflügel ein wahres Wunderwerk der Ingenieurskunst und unverzichtbar für das Leben in der modernen Zivilisation.

Flugzeugsteuerung erfordert nicht nurAufzug(dazu später mehr), aber auch vertikale sowie horizontale Lenk- und Stabilisierungseinrichtungen. Folgendes gilt für ein normales Passagierflugzeug; offensichtlich existiert kein einziges Design eines Flugzeugs oder eines Passagierflugzeugs. Denken Sie an die Physik, nicht an die spezifischen Zutaten.

Die Röhre oder der Körper eines Flugzeugs wird als bezeichnetRumpf. Die Tragflächen sind etwa auf halber Länge am Rumpf befestigt. Die Flügel selbst haben auf der Rückseite zwei Sätze beweglicher Komponenten; die äußere Menge heißtQuerruder, während die längeren, inneren einfach genannt werdenKlappen. Diese ändern das Rollen bzw. den Luftwiderstand des Flugzeugs und helfen beim Steuern und Verlangsamen des Flugzeugs. Die Flügelspitzen haben oft kleine beweglicheWinglets, die den Luftwiderstand verringern.

Zu den Heckteilen eines Flugzeugs gehörenhorizontalundvertikale Stabilisatoren,Erstere imitieren winzige Flügel in Orientierung und PrahlereiAufzugsklappen, und letztere einschließlich aRuder,das wichtigste Mittel des Flugzeugs, den horizontalen Kurs zu ändern. Ein Flugzeug, das nur einen Motor und Flügel, aber kein Seitenruder hätte, wäre wie ein leistungsstarkes Auto ohne Lenkrad, und es bedarf weder eines Physikers noch eines professionellen Rennfahrers, um die Probleme zu erkennen Hier.

​Orville und Wilbur Wrightden ersten erfolgreichen Flug im Jahr 1903 in North Carolina, USA, zugeschrieben werden. Wie Sie vielleicht schon vermutet haben, waren sie nicht nur Draufgänger die einen schlampigen Apparat aus einem Motor und ein paar leichten Planken zusammenwarfen und loslegten, einer, der zufällig in ihrem funktionierte Gefallen. Im Gegenteil, sie waren akribische Forscher und wussten, dass der Flügel der entscheidende Aspekt jedes erfolgreichen Flugmechanismus von Flugzeugen sein würde. ("Flugzeug" ist ein uriger, aber liebenswerter Begriff in der Luftfahrtwelt.)

Die Wrights hatten Zugang zu Windkanaldaten aus Deutschland, und sie verwendeten diese bei der Formulierung von Flügeln für die Segelflugzeuge, die ihrer sofort berühmten motorisierten Version von 1903 vorausgingen. Sie experimentierten mit verschiedenen Flügelformen und entdeckten, dass solche mit einem Verhältnis von Flügelspannweite zu Flügelbreite innerhalb eines engen Bereichs und nahe 6,4 zu 1 ideal erschienen; dass das fast perfekt istSeitenverhältniswurde durch moderne Ingenieurmethoden bestätigt.

Ein Flügel ist eine Art Tragfläche, die der Querschnitt von allem ist, was für Ingenieure im Bereich der Strömungsmechanik interessant ist, wie Segel, Propeller und Turbinen. Diese Darstellung ist hilfreich bei der Lösung von Problemen, da sie die beste visuelle Darstellung bietet, wie ein Flugzeug aufsteigt und wie dies durch verschiedene Flügelformen und andere Merkmale moduliert werden kann.

Vielleicht haben Sie in der Schule oder einfach beim Anschauen der Nachrichten den Begriff "Aufzug" in Bezug auf das Fliegen gesehen oder gehört. Was ist Lift in der Physik? Ist der Auftrieb überhaupt eine messbare Größe oder lässt er sich auf eine abbilden?

Der Auftrieb ist in der Tat eine Kraft, die per Definition der Kraft eines Objekts entgegenwirktGewicht. Gewicht wiederum ist die Kraft, die durch die Wirkung der Schwerkraft auf Objekte mitMasse. Auftrieb zu erreichen bedeutet, der Schwerkraft im Wesentlichen entgegenzuwirken – und die Schwerkraft "betrügt" in diesem vertikalen Tauziehen, weil sie nie ruht!

Aufzug ist aAnzahl der Vektoren, wie alle Kräfte, und hat daher sowohl eine skalare Komponente (ihre Zahl oder Größe) als auch eine bestimmte Richtung (normalerweise einschließlich zweier Dimensionen, bezeichnet mitxundja, in einführenden Physikaufgaben). Der gezeichnete Vektor wirkt durch das Druckzentrum des Objekts und ist senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids gerichtet.

Aufzug erfordert aFlüssigkeit(ein Gas oder Gasgemisch, wie Luft, oder eine Flüssigkeit, wie Öl) als Medium. Somit dient weder ein fester Gegenstand noch ein Vakuum als gastfreundliche Flugumgebung; die erste davon ist intuitiv offensichtlich, aber wenn Sie sich jemals gefragt haben, ob Sie ein Flugzeug im Weltraum steuern könnten, indem Sie seine Flügel oder sein Heck manipulieren, lautet die Antwort nein; es gibt kein physisches "Zeug", gegen das die Flugzeugteile drücken könnten.

Jeder hat die Wirbel und Strömungen eines Flusses oder Baches beobachtet und über die Natur des Flüssigkeitsflusses nachgedacht. Was passiert, wenn ein Fluss oder Bach plötzlich viel schmaler wird, ohne dass sich die Tiefe ändert? Dadurch fließt das Flusswasser viel schneller vorbei. Höhere Geschwindigkeiten bedeuten mehr kinetische Energie, und Erhöhungen der kinetischen Energie beruhen auf einem gewissen Energieeintrag in das System in Form von Arbeit.

In Bezug auf die Fluiddynamik ist der entscheidende Punkt, dass der Druck P in sich schnell bewegenden Fluiden der Dichte. abfälltρ, einschließlich Luft. (Dichte ist Masse geteilt durch Volumen oder m/V.) Die verschiedenen Beziehungen zwischen der kinetischen Energie einer Flüssigkeit (1/2)ρv², seine potentielle Energie ρgh (wobeihaist jede Höhenänderung, über die eine Flüssigkeitsdruckdifferenz besteht) und der GesamtdruckPwird von der Gleichung erfasst, die der Schweizer Wissenschaftler des 18. Jahrhunderts berühmt gemacht hatDavid Bernoulli. Die allgemeine Form lautet:

HierGist die Erdbeschleunigung aufgrund der Schwerkraft an der Erdoberfläche, die den Wert 9,8 m/s. hat². Diese Gleichung gilt für unzählige Situationen, in denen es um den Fluss von Wasser und Gasen sowie um die Bewegung von Objekten in Flüssigkeiten geht, wie zum Beispiel Flugzeuge, die durch die Luft des Himmels fliegen.

Bei der Betrachtung des Flugzeugflügels kann der letzte Term in der Bernoulli-Gleichung entfallen, da der Flügel als gleichförmig hoch behandelt wird:

Sie sollten sich auch der Kontinuitätsgleichung bewusst sein, die den Druck auf die Flügelquerschnittsfläche bezieht:

Die Kombination dieser Gleichungen zeigt, wie die Auftriebskraft erzeugt wird. Entscheidend ist, dass der Druckunterschied zwischen der Oberseite des Flügels und der Unterseite das Ergebnis der unterschiedlichen Formen der jeweiligen Seiten des Flügels ist. Die Luft über dem Flügel kann sich schneller bewegen als die Luft darunter, was zu einer Art "Saugdruck" von oben führt, der dem Gewicht des Flugzeugs entgegenwirkt.

Die Vorwärtsbewegung des Flugzeugs selbst erzeugt natürlich die Bewegung der Luft; Die horizontale Geschwindigkeit des Flugzeugs wird durch den Schub seiner Düsentriebwerke gegen die Luft erzeugt, und die resultierende Gegenkraft, die in dieser Richtung gegen das Flugzeug ausgeübt wird, wird genanntziehen​.

• Somit ist eine Zusammenfassung der Aufwärts-, Abwärts-, Vorwärts- und Rückwärtskräfte auf ein Flugzeug und seine Tragflächen von einer Seite aus gesehen:Aufzug​, ​Gewicht​, ​Schubundziehen​.