Hier auf der Erde neigen wir dazu, den Luftwiderstand (auch bekannt als "Luftwiderstand") als selbstverständlich zu betrachten. Wir gehen einfach davon aus, dass wenn wir einen Ball werfen, ein Flugzeug starten, ein Raumschiff deorbieren oder eine Kugel aus einer Waffe abfeuern, der Vorgang, der sich durch unsere Atmosphäre bewegt, 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 vom Flugverkehr, unserer Begeisterung für die Erforschung des Weltraums und unserer Liebe zum Sport und zur Luftfahrt (einschließlich uns selbst) ist das Verständnis des Luftwiderstands der Schlüssel zum Verständnis der Physik und ein wesentlicher Bestandteil vieler wissenschaftlicher Disziplinen. Als Teil der als Fluiddynamik bekannten Subdisziplin gilt sie für die Bereiche Aerodynamik, Hydrodynamik, Astrophysik und Kernphysik (um nur einige zu nennen).
Definition:
Der Luftwiderstand beschreibt per Definition die Kräfte, die der Relativbewegung eines Objekts beim Durchgang durch die Luft entgegenstehen. Diese Widerstandskräfte wirken der entgegenkommenden Strömungsgeschwindigkeit entgegen und verlangsamen so das Objekt. Im Gegensatz zu anderen Widerstandskräften hängt der Luftwiderstand 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 zwei 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.
In Bezug auf Aerodynamik und Flug bezieht sich der Luftwiderstand sowohl auf die Kräfte, die entgegengesetzt zum Schub wirken, als auch auf die Kräfte, die senkrecht dazu wirken (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 Kraftstoff und Effizienz beim Abheben als auch eine Kraftstoffeinsparung, wenn ein Raumschiff aus der Umlaufbahn zur Erde zurückkehrt.
Berechnung des Luftwiderstands:
Der Luftwiderstand wird normalerweise anhand der „Widerstandsgleichung“ berechnet, die die Kraft bestimmt, die ein Objekt erfährt, das sich mit relativ großer Geschwindigkeit durch ein Fluid oder Gas bewegt. Dies kann mathematisch ausgedrückt werden als:
In dieser Gleichung FD repräsentiert die Widerstandskraft, p ist die Dichte der Flüssigkeit, v ist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Schall, EIN ist die Querschnittsfläche undCD ist der Widerstandsbeiwert. Das Ergebnis ist der sogenannte „quadratische Widerstand“. Sobald dies bestimmt ist, beinhaltet die Berechnung der zur Überwindung des Widerstands erforderlichen Leistung einen ähnlichen Prozess, der mathematisch ausgedrückt werden kann als:
Hier, Pdist die Kraft, die benötigt wird, um die Widerstandskraft zu überwinden. Fd ist die Widerstandskraft, v ist die Geschwindigkeit, p ist die Dichte der Flüssigkeit, v ist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Schall, EIN ist die Querschnittsfläche undCD ist der Widerstandsbeiwert. Wie es zeigt, ist der Leistungsbedarf der Würfel der Geschwindigkeit. Wenn also 10 PS für 80 km / h benötigt werden, sind 80 PS für 160 km / h erforderlich. Kurz gesagt, eine Verdoppelung der Geschwindigkeit erfordert die Anwendung der achtfachen Leistung.
Arten des Luftwiderstands:
In der Aerodynamik gibt es drei Hauptarten von Luftwiderstand: Auftriebsinduziert, Parasitär und Welle. Jedes wirkt sich auf die Fähigkeit eines Objekts aus, in der Luft zu bleiben, sowie auf die Kraft und den Treibstoff, die erforderlich sind, um es dort zu halten. Ein durch Auftrieb induzierter (oder nur induzierter) Widerstand tritt als Ergebnis der Erzeugung eines Auftriebs an einem dreidimensionalen Auftriebskörper (Flügel oder Rumpf) auf. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten: Wirbelwiderstand und Auftriebsinduzierter viskoser Widerstand.
Die Wirbel entstehen durch die turbulente Vermischung von Luft mit unterschiedlichem Druck auf der Ober- und Unterseite des Körpers. Diese werden benötigt, um Auftrieb zu schaffen. Wenn der Auftrieb zunimmt, nimmt auch der durch den Auftrieb verursachte Widerstand zu. Für ein Flugzeug bedeutet dies, dass mit zunehmendem Anstellwinkel und Auftriebskoeffizient bis zum Stillstand auch der durch den Auftrieb verursachte Luftwiderstand zunimmt.
Im Gegensatz dazu wird der parasitäre Widerstand durch Bewegen eines festen Objekts durch eine Flüssigkeit verursacht. Diese Art des Widerstands besteht aus mehreren Komponenten, einschließlich "Formwiderstand" und "Hautreibungswiderstand". In der Luftfahrt ist der induzierte Luftwiderstand bei niedrigeren Geschwindigkeiten tendenziell größer, da ein hoher Anstellwinkel erforderlich ist, um den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird dieser Luftwiderstand viel geringer, aber der parasitäre Luftwiderstand nimmt zu, weil die Flüssigkeit schneller um hervorstehende Objekte fließt und die Reibung erhöht. Die kombinierte Gesamtwiderstandskurve ist bei einigen Fluggeschwindigkeiten minimal und liegt bei oder nahe ihrer optimalen Effizienz.
Der Wellenwiderstand (Kompressibilitätswiderstand) wird durch das Vorhandensein eines Körpers erzeugt, der sich mit hoher Geschwindigkeit durch eine komprimierbare Flüssigkeit bewegt. In der Aerodynamik besteht der Wellenwiderstand abhängig vom Geschwindigkeitsregime des Fluges aus mehreren Komponenten. Im transsonischen Flug - bei Geschwindigkeiten von Mach 0,5 oder mehr, aber immer noch weniger als Mach 1,0 (auch bekannt als Schallgeschwindigkeit) - ist der Wellenwiderstand das Ergebnis des lokalen Überschallflusses.
Überschallströmung tritt bei Körpern auf, die sich weit unter der Schallgeschwindigkeit bewegen, da die lokale Luftgeschwindigkeit auf einem Körper zunimmt, wenn er über den Körper beschleunigt. Kurz gesagt, Flugzeuge, die mit transsonischen Geschwindigkeiten fliegen, verursachen häufig Wellenwiderstand. Dies nimmt zu, wenn sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs der Schallmauer von Mach 1.0 nähert, bevor es zu einem Überschallobjekt wird.
Im Überschallflug ist der Wellenwiderstand das Ergebnis von schrägen Stoßwellen, die an den Vorder- und Hinterkanten des Körpers gebildet werden. Bei Überschallströmungen bilden sich stattdessen Bogenwellen. Bei Überschallgeschwindigkeiten wird der Wellenwiderstand üblicherweise in zwei Komponenten unterteilt: Überschallhub-abhängiger Wellenwiderstand und Überschallvolumen-abhängiger Wellenwiderstand.
Das Verständnis der Rolle, die Luftreibung beim Fliegen spielt, die Kenntnis seiner Mechanik und die Art der Kraft, die zur Überwindung erforderlich ist, sind für die Erforschung der Luft- und Raumfahrt sowie des Weltraums von entscheidender Bedeutung. Das alles zu wissen wird auch wichtig sein, wenn es darum geht, andere Planeten in unserem Sonnensystem und in anderen Sternensystemen insgesamt zu erforschen!
Wir haben hier im Space Magazine viele Artikel über Luftwiderstand und Flug geschrieben. Hier ist ein Artikel über Was ist Endgeschwindigkeit?, Wie fliegen Flugzeuge?, Was ist der Reibungskoeffizient? Und Was ist die Schwerkraft?
Wenn Sie weitere Informationen zu den Flugzeugprogrammen der NASA wünschen, lesen Sie den Anfängerleitfaden zur Aerodynamik und hier einen Link zur Widerstandsgleichung.
Wir haben auch viele verwandte Episoden von Astronomy Cast aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 102: Schwerkraft.
