Geostationäre Aerokinetik

Ersterscheinung 29.03.2010
Stand 31.03.2010

Ohne Antrieb kann kein Flugobjekt fliegen. Es muß ja Luftmasse abwärts beschleunigen um oben zu bleiben. Dazu muß sie Energie in die Luft einführen. Auch aus diesem Grund ist die Luftkraft in jedem Fall eine Reaktionskraft. Das gilt auch, wenn die Luft vor einen festzuhaltenden Drachen prallt. Das wird zwar fast niemandem auszureden sein, die Wahrheit hat aber auch ihr Existenzrecht.
Das Segelflugzeug im Bild ist Ausgangspunkt für das Folgende. Sein steiler Sinkflug ist nötig zum Verständnis des Kommenden. Die Antriebsenergie für seinen Flug kommt aus seinem Gewicht. Es fällt also, jedoch nicht senkrecht, sondern durch eine von ihm erzeugte Luftkraft schräg zur Seite gelenkt. Die Schräge kommt im Normalflug sogar nahe an die Waagerechte heran, so daß das Fallen gar nicht mehr auffällt.



Durch den Energieeintrag in die Luft wird diese in Bewegung nach unten gesetzt. Daraus entsteht ja der Auftrieb. Die blauen Pfeile stellen nur den primären Auslösebereich der unmittelbar vom Tragflügel erzeugten Luftströmung dar. Im richtigen Maßstab bewegt sich die Luft von oben und nach unten bis in Entfernungen von der Länge der Flügel. Die in Bewegung versetzte Luft fließt durch diesen Impuls von der Flugbahn (schwarze Linie) weg. Da die Flugbahn hier eine stark geneigte ist, besteht die Wirbelschleppe vom Boden gesehen von hinten oben nach vorn unten. Im Horizontalflug geht sie ja auch vom Boden aus gesehen vom Flugzeug nach hinten abwärts. Die Flugbahn gegenüber der Luft ist der geometrische Bezug für das aerokinetische Geschehen. Ihr gegenüber besteht der Anstellwinkel des Tragflügels, ihr gegenüber verläuft die Wirbelschleppe nach hinten abfallend, ihr gegenüber bestimmt sich die Richtung der Luftkraft usw. Wichtig für das Weitere ist:

Energieeintrag in die Luft ist Voraussetzung für die Entstehung der Luftkraft! .

Das Objekt, an dem eine Luftkraft wirkt, ist der Akteur. Auch, wenn es das nicht weiß! Das gilt auch für den Drachen: er muß Luft nach unten bewegen, damit er oben bleibt. Wo nimmt er die Energie her? Er sinkt nicht ab, so daß seine Potentialenergie herhalten könnte.Er kann Energie nur über die Schnur von unten, der Erde, erhalten. Sie erfährt dadurch eine Gegenkraft. "Was für ein Bödsinn!" wird eine große Mehrheit sagen. Aber: Physik ist keine Mehrheitsmeinung. Selbstverständlich ist die Lufthülle der Erde ein eigenständiger Massenkörper im Weltraum und der Erdkörper ein anderer. Nur durch die Gravitation liegen beide aneinander. Physik hat alles von oben zu sehen, nur da herrscht der überblick für den Durchblick.
Mit diesem zuvor erkannten Wissen ist es nun möglich die Funktionismen von Windkaftrotorblatt und Schiffsegel anzugehen. Es ist wie beim Drachen leider nicht so, wie es sich die menschliche und vor allem die technische Logik zurecht gelegt hat. Technik grast nur in Details, nicht in Grundprinzipien.

Der Vorgang des steilen Sinkfluges im Bild zuvor wird in einer anderen Situation gezeigt. Von unten bläst ein starker Wind nach oben. Er bläst genau so schnell, wie das Flugzeug nach unten sinkt. Das Ergebnis ist somit eine konstante Höhenlage des Flugzeugs. Das zeigt das folgende Bild.



Das Flugzeug sinkt nun nicht mehr, sondern bewegt sich nur noch horizontal. Die vertikale Bewegung des Flugzeugs ist damit geostationär geworden. Es fliegt höhenmäßig "im Stand". Sein aerokinetischer Flugzustand ist aber der absolut gleiche wie zuvor. Nur die Bezugspunkte verschieben sich. Es fällt weiterhin gegenüber der Luft, aber nicht mehr gegenüber der Erde. Nach wie vor muß es auch weiterhin Energie in die Luft einbringen. Es entnimmt sie nun der aufsteigenden Luft, die es hochhebt und gibt sie gleich wieder an sie ab, um Fliegen zu können. Würde der Aufwind stärker blasen, erhielte der Segler mehr Energie als er zum Fliegen benötigt. Er müßte, um nicht zu steigen, zusätzlich Energie abgeben. Dazu müßte er schneller stürzen und die überschußenergie durch Sturzflugbremsklappen an Luftverwirbelungen abgeben.

Damit ist der Punkt erreicht, an dem das Flugzeug verlassen werden kann. Bis auf seinen Flügel! Er darf weiter funktionieren, nur in anderem Zusammenhang.
Wird im zweiten Bild der Rumpf des Flugzeuges weggelassen, so bleibt die Sicht auf das Flügelprofil. Dieses gehöre nun von oben gesehen entweder zu einem gerade senkrecht stehenden Windkraftrotorblatt oder einem Schiffssegel. Anstelle des Flugzeugrumpfes läßt sich in der nun Draufsicht der Rotorkopf eines Windgenerators oder ein Bootsrumpf hinzufügen.
Damit ist wieder der Problempunkt wie beim Drachen erreicht: macht die Luft was mit dem Flügel oder umgekehrt? Nach wie vor gilt:

Ohne Energieeintrag in die Luft entsteht keine Luftkraft!

Ohne Luftkraft kann sich weder eine Windmühle drehen noch ein Segelschiff fahren. Es gilt: zunächst muß ein Flügel, Rotorblatt oder Schiffssegel Energie aufwenden. Es muß Luft in Luft bewegen, damit eine Luftkraft überhaupt erst einmal entsteht. Dann kann aus der Bewegung Energie entnommen werden.

Die Luftkraft wirkt rechtwinklig zur Flügelfläche. Durch die negative Stellung der Fläche gegenüber der horizontalen Bewegung ergibt sich eine Komponente in horizontaler Vorwärtsrichtung. Diese muß zuerst den Widerstand der durch die Luft bewegten Elemente abdecken. Ist sie größer, kann zusätzlich "Last" mitgezogen werden. Die "Last" ist im freien Flug die Bremskraft der Bremsklappen, bei der Windkraftanlage der Stromgenerator und beim Boot der Widerstand des Bootskörpers.



Leider ist beim Boot nicht mehr zu sehen, daß seine Segelfläche wie die Flugzeugflügelfläche Luft nach unter sich beschleunigt. Es fehlt dazu die Richtung der Flugbahn, die die Bezugsrichtung der Flügelflächenanstellung aufzeigt. Diese kann aber durch ein Band an der Mastspitze aufgezeigt werden. Es legt sich in der Luft in genau diese Richtung. Es ist mit rotem Srich gezeichnet. Der Schiffsrumpf zeigt dagegen in die Richtung, in die sich das Flugzeug im Aufwind vom Boden aus gesehen bewegt. Zu beachten ist: Das Bootssegel beschleunigt wie der Tragflügel des Segelflugzeuges Luft gegen den Wind! Das zeigen die blauen Pfeile des Kernbereichs der in Bewegung versetzten Luft an. Allein aus dem Animationsbild des Bootes läßt sich das leider nicht nachvollziehen.

Der Rotor einer Windmühle und das Segel eines Bootes verursachen das gleiche aerokinetische Geschehen wie der Flugzeugflügel. Sie versetzen Luft in gewünschtem Sinn in Bewegung um Luftkraft zu erzeugen. Die Windmühle oder Windkraftanlage muß dazu quer zur Rotorkreisebene die Kraft aufbringen, die beim Flugzeug vom Gewicht gestellt ist. Das Segelboot muß das gleiche tun, quer zur Fahrtrichtung auch die Kraft erzeugen, die beim Flugzeug als Gewicht wirkt. Deswegen benötigt es ein sogenanntes Schwert oder einen entsprechenden Kiel. Dieser muß aber keine Reaktion verhindern sondern eine Aktion ausüben: Luftmasse im erforderlichen Sinn beschleunigen!
Die Geometrie des aerokinetischen Geschehens bei Windkraftrotor und Segelschiff ist gekippt: was beim Flugzeug der vertikale Aufwind war, ist bei Windkraft und Segelboot der horizontale Wind. Für den Windkraftrotor ist leicht vorstellbar, daß seine Rotorflügel Segelflugzeuge sein könnten, die rund kreisen. Für ein Segelboot wäre die Vorstellung so, daß ein Segelflugzeug im Messerflug mit der Unterseite gegen den Wind knapp über dem Wasser flöge. Es müßte jedoch ein Schwert mit Auftriebsorganen im Wasser mitführen um zum Ersten nicht runter zu fallen, zum Zweiten auf der Bahn und und zum Dritten dabei senkrecht zu bleiben.

Ein Motorflugzeug bringt seine zum Fliegen benötigte Energie mit. Segelflugzeug, Windkraftrotor und Segelboot holen sich die Energie von außen. Das Segelflugzeug holt Energie aus der Gravitation und aufsteigender Luftmasse. In ruhender Luft verbraucht es seine potentielle Energie. Aufsteigende Luftmassen führen ihm Energie zu.
Segelboot und Windkraftanlage geben Energie wie ein Segelflugzeug über Flächen ab, die aerokinetisch mit der Luft wechselwirken. Der aerokinetische Funktionismus an Flugzeugflügel, Bootssegel und Windkraftrotorblatt ist identisch. Sie müssen wie Flugzeugflügel zunächst eine Luftkraft erzeugen und dafür Energie in die Luft eintragen. Die entnehmen sie über ihren Kontakt zur Erde von der Erde. Das geht wie zuvor beim Drachen beschrieben. Ohne das kann es einfach nicht losgehen! Es sei denn, man hätte einen Motor, der den Start ermöglicht. Beim Segelflugzeug befindet der sich an einer Seilwinde zum hochziehen oder in einem Motorflugzeug, das es hoch schleppt.
Der Minimalwind unter die Flächen (zweites Bild) läßt diese gerade ihren eigenen Widerstand aus der Vorwärtsbewegung begleichen. Diese ist erforderlich, damit die Luftkraft entsteht. Die Flächen müssen dazu nämlich Luft runter, das ist hier gegen den Wind, beschleunigen. Bläst der Wind stärker, wird die Vorwärtsbewegung schneller. Ein Windkraftrotor muß dagegen geschützt werden. Er würde sonst dadurch zerstört. Für die Vorwärtsbewegung überschüssige Energie kann durch einen Windkraftrotor nur aus der Vorwärtsbewegung entnommen werden. Ein Segelboot könnte aber auch mit dem Wind fahren ohne Bewegung quer zum Wind. Die aerokinetische Kraft entsteht dabei als Widerstandskraft. Die Energie aus der schnelleren Windströmung wird nicht in eine schnellere Bewegung gelassen, sondern entnommen. Sie dient als Antrieb für den Windkraftgenerator bzw. dem Antrieb des Segelbootes.

Ein Bootssegel stellt nur einen Flügel eines Flugzeuges dar. Er ist als aus dem Wasser senkrecht herausragender Flügel vorzustellen ähnlich einer Haifischflosse. Die Wirbelschleppe hinter ihm besteht damit auch nur aus einem Wirbel. Einen Gegenwirbel dazu gibt es hier nicht! Dieser Wirbel dreht sich oben nach Lee, unten nach Luv. Er weht unten aber nicht schneller als der Wind, sondern langsamer. Er ist ein Wirbel gegen den Wind. Sein Durchmesser berträgt die doppelte Höhe des Segels. Auch bei diesem Bootswirbel gibt es den Anfahr- und den Profilwirbel. Sie besitzen eine senkrechte Rotationsachse. Sie beide und der Wirbel der langen Wirbelschleppe stellen einen halben Ringwirbel dar. Beim Windkraftrotor ist die Wirbelsituation komplizierter. Sie würde hier den Text zu weit ausufern lassen.

Beim Windkraftrotor ist die Anstellwinkeleinstellung mittels Messung des Leistungmaximums machbar. Beim Segelboot kann es eine Geschwindikgeitsmessung sein. Das Segel bringt bei Seitenwind beiziehend mehr Leistung bis zu einem Maximum. Darüber hinaus wird das Boot dann wieder langsamer. Das Beiziehen des Segels bewirkt eine änderung der Luftkraft wie ihrer vektoriellen Komponenten, die eine Art "Hebelübersetzungsänderung" bewirken. Gefühlsmäßig ist es vergleichbar mit einem Auto, das mit einem Getriebe mit zu viel Gängen ausgestattet ist. Die Höchstgeschwindigkeit steigt zunächst mit jedem größerem Gang an, bis es bei noch höheren wieder langsamer wird. Das Drehmonment reicht dann nicht mehr aus.

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