Jan Peter Apel

Der Bernoullieffekt

Beim Fliegen ist der Bernoullieffekt in aller Munde, jedoch, was er wirklich ist, ist weitgehend unbekannt. Deshalb hier sein Ursprung von Anfang an. Es beginnt damit, daß ein Gas, bestehend aus Atomen oder/und Molekülen, in einem Behälter eingesperrt ist. Im Bild sind einzelne Atome bzw. Moleküle gezeichnet und mit Pfeilen deren Bewegungen. Sie stoßen gegeneinander und auch gegen die Wände, auch von denen sie wieder verlustfrei zurückprallen.


Drei unsichtbare Dinge sind die Folgen:
1) Die kinetischen An- und Rückprallungen der Gasteilchen an die Wände erzeugen den Innendruck auf die Wände.
2) Die Geschwindigkeiten der Atome/Moleküle entsprechen Temperaturen, d. h., daß Temperaturen eigentlich Geschwindigkeiten von Atomen/Molekülen sind.
3) Die Geschwindigkeiten der Teilchen stellen mit ihren Massen ihre kinetischen Energieinhalte dar, wozu aber Wärmeenergie gesagt wird, was man aber damals bei den Wortschöpfungen vor Jahrhunderten noch nicht wissen konnte.

Verkleinert sich der Raum für eine Gasmenge, so stoßen mehr Atome/Moleküe auf eine Wandflächeneinheit auf, der Druck steigt. Aber, beim Verkleinern des Volumens, was eine Bewegung der Wandflächen nach innen bedeutet, stoßen die an die Wand anprallenden Atome/Moleküle schneller wieder zurück, erhalten dadurch also eine höhere Geschwindigkeit und damit eine höhere Temperatur. Das ist im Alltag sogar mit Händen meßbar: beim Luftaufpumpen eines Fahrradschlauches wird die Luftpumpe am Kopf deutlich wärmer.
Umgekehrt, wenn sich der Raum für eine Gasmenge erhöht, wird das Gas kälter, die Atome/Moleküle prallen von den zurückweichenden Wänden nur langsamer wieder zurück. Gleichzeitig sinkt der Druck, da dann weniger
Atome/Moleküle auf eine Flächeneinheit anprallen.
Das, was an den Wandflächen passiert, passiert auch innerhalb der Gase. Werden die Abstände der Atome/Moleküle bei Volumenverkleinerung untereinander kleiner, gehen sie aufeinander zu, so daß sie auch da wieder schneller zurückprallen
, also wärmer werden. Bei Volumenvergrößerung findet der Vorgang entsprechend umgekehrt statt. 

Diese Vorgänge, verkleinern bzw. vergrößern der Volumen von Gasen ohne äußere Energiezu- bzw. -abfuhr heißen "adiabatische Zustandsänderungen". Diese finden auch statt, wenn Luft vom Erboden aufsteigt und dabei durch zunehmende Höhe an Druck verliert. Auch da wird die Luft kälter, was bei entsprechender Luftfeuchtigkeit zu Wolkenbildung führt.

Fließt Gas in einem Rohr mit variablen Querschnitten, so treten auch Druck- und Geschwindigkeits- und Temperaturänderungen auf. In der Skizze ist dargestellt, wie Luft aus einem Überdruckbereich in eine Rohrleitung fließt. Dieser Gasfluß
als Strömung kann nur stattfinden, wenn der Druck am Beginn höher als der am Ende der Rohrleitung ist. Strömung hat immer einen Anfang und ein Ende, dazwischen besteht ein Absinken vom Druck am Beginn zum Druck am Ende, betitelt mit Druckgradient.

Strömung ist definiert als eine Bewegung von Gasmatomen/Molekülen von einem höheren zu einem niederen Druck.
Fahrtwind ist keine Strömung, sondern die Bewegung des Beobachters.

Bei Strömungen finden auch Querschnittsflächenverkleinerungen bzw. -vergrößerungen statt. Das Gas in vorstehender Skizze fließt auf Grund des Druckgefälles vom Anfang bis zum Ende der Strömung in ein Rohr ein. Dazu muß es sich beschleunigen. Diese Beschleunigung geschieht aber nicht dadurch, daß der Druck das Gas in das Rohr hineinschiebt, sondern das Gas geht von selbst mittels seinen inneren Bewegungen in Richtung zu mehr Volumen. Auch dabei fallen durch die Vergrößerungen der Abstände der Atome/Moleküle deren inneren Geschwindigkeiten und damit deren Temperaturen. Der Druck sinkt dabei vom Anfangsdruck im Behälter auf den Druck, der vom Ort des Ausfließens des Gases bestimmt ist. Ein Unterdruck entsteht hierbei nicht.

Eine Druckenergie, die Gase aus Überdruck- in Unterdruckbereiche beschleunigt, gibt es nicht!
 

Schließt sich an das Rohr ein Diffusor an, so findet ein Vorgang mit Druckrückgewinnung statt. Die Geschwindigkeiten der Atome/Moleküle verringern sich wieder, wobei sie durch ihr gegenseitiges Entgegenkommen bei Anprallungen schneller wieder zurückprallen und somit schneller, d. h. wärmer werden.

Da der Außendruck den Druck bestimmt, der am Ende der Strömung herrscht, ergibt sich aus der Druckerhöhung durch den Diffusor eine Druckabsenkung unter den Enddruck im Rohr vor dem Diffusor. Diese Unterdruckbildung wird mit "Bernoullieffekt" bezeichnet, da Daniel Bernoulli sie als erster berechenbar machte.
Der Bernoullieffekt entsteht aber nicht dadurch, daß sich eine Strömung wie in der ersten Skizze beschleunigt, sondern nur dadurch, daß ein Diffusor einen Druckanstieg zum Enddruck der Strömung erzeugt. 
Das ist gegen den Anschein und der Erwartung, da sich eine Strömung im engeren Teil vor dem Diffusor doch hindurch quetschen müsse, also dort ein Überdruck herrschen sollte. Deshalb wird es auch als das "bernoulliische Paradoxon" bezeichnet.

Der bernoullische Unterdruck entsteht NICHT daraus, wie in allen Lehrbüchern beschrieben,
daß sich Luft vor einer Engstelle beschleunigen muß!
Daß vor einem Diffusor ein Unterdruck entsteht, ist einzig vom Diffusor verursacht!

An einem Flügel eines Flugzeuges gibt es keinen Überdruck vor dem Flügel, der eine Strömung entlang des Flügelprofils nach hinten in Gang setzt. Ein Bernoullieffekt kann aber nur in einer Strömung, die einem Druckgradienten folgt, entstehen. Der Fahrtwind ist in Wirklichkeit ruhende Luft, in dem unmöglich ein Bernoullieffekt entstehen kann.

Frage: 
Aber die Stromlinien zeigen im Windkanal doch deutlich eine Verschnellerung des Fahrtwindes über dem Tragflügel, so wie in einem Rohr mit Verengung, wo ja Unterdruck entsteht?

Antwort:
Schein ist nicht immer Sein! Und das ist nicht der einzige Vorgang, der uns von der Natur mit einem Bild präsentiert wird, das uns auf falsche Fährten lockt.

Was ist wirklich?
Der Flügel eines Flugzeuges drückt auf Grund seiner Vorwärtsbewegung und Winkelanstellung Luft mechanisch nach unten. Dadurch entsteht unter dem Flügel Überdruck. Dieser führt dazu, daß Luft vor dem Flügel um die Flügelnase herum nach oben quillt, was sich im Windkanal als verwunderliches Anheben der Stromlinien vor dem Flügelprofil zeigt. Dieser aus der hochquellenden Luftmenge erzeugte Luftstrom fließt ortsfest an der Oberseite des sich darunter vorwärts bewegenden Flügels als tatsächliche absolute Strömung ein kleines Stück nach hinten, was in der folgenden Animation rot gekennzeichnet ist. Nur diese absolute Luftbewegung nach hinten besteht oberhalb eines Flügels und erhöht nur scheinbar den Fahrtwind, der ja gar keine Strömung ist, sondern nur eine Scheinströmung aus dem bewegten Koordinatensystem des Flugzeugs. 


Damit erscheint
im Koordinatensystem des Flugzeugs (Windkanal) eine Summe aus Fahrtwind als scheinbarer Wind plus des tatsächlichen Windes aus der hochgequollenen Luft.
Beide, der tatsächlich  fließende Luftstrom im Koordinatensystem der Luft und der nur Fahrtwind als scheinbarer Wind im Koordinatensystem des Flugzeuges, dürfen
aber nach den Regeln der Physik gar nicht addiert werden, da sie aus unterschiedlich bewegten Koordinatensystemen stammen. Die Allgemeinphysik gilt auch in der Aerodynamik, die in Wirklichkeit aber eine Aerokinetik ist!

In der vor dem Flügel hochquellenden Luft, die Rauchfäden durch ihr Ansteigen schon vor dem Flügel aufzeigen, entsteht aber tatsächlich ein Bernoullieffekt. Aber nur in dieser viel kleineren Luftmenge, die den Fahrtwind nur in der Nähe der Flügeloberfläche etwa 10% erhöht.
Der Bernoullieffekt aus dieser kleinen Luftmenge kann aber nicht in der Höhe entstehen, daß er das ganze Flugzeug tragen könnte. In Wirklichkeit entsteht daraus sogar überhaupt keine Auftriebskraft, denn in Summe um das ganze Flügelprofil herum werden sich so entstehende bernoulliische Effekte zu null ausgleichen, weil die echte Strömung von unten nach oben um die Flügelnase herum erst vom Flügel selbst erzeugt wurde! Wie?
Flügel erzeugten mittels ihrer Anstellungen als schiefe Ebenen und ihrer Vorwärtsbewegungen mechanisch-kinetisch den Überdruck unter und den Unterdruck über ihnen, womit ein Flugzeug schon fliegt, und erst dadurch fließt in Folge Luft
um die Flügelnase herum von unter zu über ihnen. Baron von Münchhausen konnte sich auch nicht selbst am eigenen Schopf (dem erzeugten Luftstrom nach oben) aus dem Sumpf ziehen. Im Überschallflug gibt es diese Umströmung um die Flügelnase herum auch gar nicht mehr, das Flugzeug fliegt dennoch unbeirrt weiter, denn der Auftrieb entsteht ausschließlich aus dem Funktionismis der schiefen Ebene der Flügelflächen.

An einem symmetrischen Profil enteht bei null Grad Anstellwinkel auf der Ober- und der Unterseite ein Unterdruck. Warum?


Am Staupunkt an der Profilnase entsteht ein zwar kleiner, aber wirkungsvoller Überdruckbereich. Damit entsteht eine Strömung dicht an der Ober- und Unterfläche des Flügels von vorn nach hinten. In dieser entsteht selbstverständlich ein bernoulliischer Unterdruck durch den hinteren Diffusorbereich, der den Unterdruck bis zum Flügelende wieder zum Normaldruck "hochzieht".
Dieser Effekt ist natürlich auch an einem angestellten Flügel vorhanden, gegenüber dem aus der viel größeren um die Flügenase herum hochquellenden Luftmasse aber unbedeutend.

Untersucht man die Unterdruckentstehung an einem zylindrischen Körper mit einem strömungsförmigem Ende, folgendes Bild, dann ergibt sich ebenfalls eine Unterdruckbildung.


Diese Erscheinung wird mit dem Coandaeffekt bezeichnet. Dem schreibt man ja zu, daß eine Strömung an zurückweichenden Körperformen "kleben" bleibt. Dabei ist es nur das als selbstverständlich erwartete Erweitern einer Strömung bei Querschnittsvergrößerungen, der Quersschnitt vergrößert sich hierbei nur nach innen. Warum sollten Gasatome/-Molüle, wenn sich eine Begrenzungswand zurückzieht, nicht in den frei werdenden Raum bewegen? Der Coandaeffekt ist also kein realer Effekt wie der Bernoullieffekt und kann deshalb auch nicht berechnet werden. Er ist einzig das Unverständnis des Anliegenbleibens einer Strömung außerhalb eines Diffusors.


Das Geheimnis des Fliegens liegt nicht in der Horizontalen, sondern in der Vertikalen: da wird Luftmasse
mechanisch nach Newton's Kraftgesetzen durch die schräge Winkelanstellung der Flügel und deren Vorwärtsbewegung im Koordinatensytem der Luft mechanisch kinetisch nach unten gedrückt. Dieses mechanische runter beschleuigen geschieht in der Luft ortsfest! Es ist also auch keine Umlenkung einer Strömung, denn der Fahrtwind ist keine Strömung, sondern nur die Sicht aus dem bewegten Koordinatensytem des Flugzeugs. Die Reaktionskraft aus der von der Unterseite der Flügel nach unten gedrückten und von der Oberseite nachgesaugten Luftmasse (entspricht in Summe annähernd der Flugzeugmasse) ist die Auftriebskraft.

Im Übrigen besteht die Wahrheit, daß sich ein Flugzeug durch die Luft
bewegt und nicht umgekehrt. Daß das für die Variablen der nur benötigten technischen Messwerte keine Rolle spielt, so daß im Windkanal am ruhenden Flugzeug gemessen werden kann, ist nur glücklicher Zufall.

In der Physik ist der Tausch der Bewegungen, der zwangsläufig Ursache und Wirkung mit tauscht, absolut verboten! Die heutige Flug-Aerodynamik ist keine Physik, sondern technischer Pragmatismus, der einzig von Meßwerten lebt ohne physikalisch richtigen Hosenboden.

 

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