Ersterscheinung 14.8.2002
von J. Peter Apel

Die Physik des Fliegens

Die physikalische Ableitung der Natur des Fliegens
The physical derivative of the nature of flying


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Am Anfang war das Nichts
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Dann schleuderte der big bang
aus diesem Nichts
Massen auseinander
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Alle diese Massen wollen wieder zusammenkommen
und beschleunigen sich durch ihre gegenseitige
Anziehungskraft
aufeinander zu
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Um von der Schwerkraft nicht zur Erde hin bewegt
zu werden, muß sich ein Körper andauernd
und gleichstark selbst in die Gegenrichtung
beschleunigen
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Satelliten erhalten ihre
permanente Gegenbeschleunigung
auf Grund ihrer geometrischen Umlaufbahn
durch die Fliehkraft aus der eigenen Masse
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Nur mittels einer zweiten Masse
kann sich auf der Erde ein Körper durch
Rückstoß beschleunigen.
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Eine Rakete oder ein mit "Rucksackdüsen" ausgestatteter Mensch
beschleunigen sich gegen die Erdbeschleunigung
durch Abstoßen von mitgenommener (Treibstoff-) Masse:
durch deren Rückstoßkraft
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Auch ein Luftfahrzeug schwerer als Luft
kann sich nur durch Rückstoß
obenhalten!
Etwas anderes ist in diesem Universum nicht möglich
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Die Manipulationsmasse zur Rückstoßerzeugung
muß ein in der Luft fliegendes Objekt nicht mitnehmen:
sie steht ihm in Form der Luftmasse selbst zur Verfügung.
Mit einer Fläche (Flügel) läßt sich die Luft "greifen"
und damit nach unten beschleunigen.
Dadurch wird Rückstoßkraft als Auftrieb erzeugt
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Eine Platte beschleunigt Luft nach unten, indem sie diese bei einer Abwärtsbewegung direkt runterdrückt und über ihr nachsaugt. Da an ihren Rändern keine Zylinderwände existieren wie um die Kolbenfläche einer Pumpe, entstehen wegen der weitgehenden Inkompressibilität der Luft im freien Luftraum großräumige Ausweichbewegungen um die Plattenränder herum.

Trotz dieser `Umspülungen´ entstehen wie bei einem Kolben im Zylinder in Folge der Beschleunigungen für die beeinflußten Luftmassen einschließlich derer der Umspülungen:
Überdruck unter und Unterdruck über der Platte.

Der Überdruck unter und der Unterdruck über der Platte erzeugen mittels deren Flächen die Auftriebskraft

Das ist das Grundprinzip der kinetischen Auftriebsphysik


Die Luftbewegungen der Umspülungen, auch als Verdrängungsströmung für den direkt unter der Platte in Bewegung gesetzten Abwärtsluftstrom und als Nachflußströmung für die oberhalb der Platte runter gesaugte Luft zu bezeichnen, bilden aus seitlicher Sicht gesehen die bekannten Wirbel am Plattenrand. Insgesamt bildet sich am Plattenrand ein geschlossener Ringwirbel um den vollen Umfang der Platte aus.

Dieses Beispiel stellt exakt die Auftriebsentstehung am Flügel der Hummel dar
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Bewegt sich die Platte neben ihrer Abwärtsbewegung gleichzeitig auch vorwärts, so wandert der Wirbel an der Plattenvorderkante mit deren Bewegung mit. Der an der Hinterkante entstandene Wirbel bleibt jedoch an der Stelle, wo der Abwärtsluftstrom zu Beginn der Bewegung auch begann! Ein Wirbel gehört also nicht zu einer Kante, durch die er er aber ursprünglich entstand. Sein Platz ist das unmittelbare Nebeneinander unterschiedlicher Luftbewegungen. Der ab Startort hinterlassene Abwärtsluftstrom "verhakt" sich mit der benachbarten ruhenden Luft zusammen zu einer Kreisströmung.

Die Platte drückt und saugt jetzt während ihrer Vorwärtsbewegung an jeder Stelle ihrer Bahn neue Luft aus deren vorheriger Ruhelage nach unten

Die vordere Grenze dieses Abwärtsluftstromes befindet sich direkt unter und über der Platte (Flügel). Der `Beschleunigungsruck´ der Luft durch einen Flügel ist im Strömungslabor beim Durchflug eines frei fliegenden Testmodells durch die `Rauchwand´, die ihrerseits auch die vorher ruhende Luft direkt anzeigt, in dem kurzen Moment des Durchflugs von Millisekunden über und unter dem Flügel auffällig zu sehen.Hinter der Platte (Flügel) entsteht eine `Straße´ abwärts strömender Luft. Die von der Platte senkrecht unter und über ihr erzeugte Luftströmung nach unten und die in Flugrichtung davor ruhende Luft müssen sich nach vorn zu einem Wirbel an der Plattenvorderkante `verdrehen´, der hier permanent neu entsteht. Dieser Wirbel ist also nicht stationär, sondern örtlich nur kurzzeitig in dem Moment vorhanden, in dem die Platte (Flügel) an einem Punkt in der Luft weilt.
Der um den gesamten Abwärtsstrom von Luft sich bildende Ringwirbel erhält durch die Vorwärtsbewegung der Platte (Flügel) eine langgezogene Form.

Dieses Beispiel stellt exakt den Sackflug kurz vor totalem Strömungsabriß dar
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Bewegt sich die Platte sehr schnell gegenüber der Abwärtsbewegung vorwärts, so daß ihre Bahn fast horizontal ist, so stellt sie die Verhältnisse am Tragflügel eines gleitenden Segelflugzeuges dar. Zwischen dem `Anfahrwirbel´ und dem an der Flügelvorderkante befindlichen Wirbel wird die Luft auf der Flugbahn im Höhenbereich von etwa Spannweitengröße über und unter dem Flugzeug durch Druck und Sog nach abwärts beschleunigt. Das Entscheidende: der jeweils örtlich kurzzeitig entstehende Wirbel um die Plattenvorderkante (Flügelnase), mit `Profil´wirbel bezeichnet, schließt die Platte bzw. den Flügel in seiner Tiefe bis um die Hinterkante herum völlig ein:

Das ist Fliegen!

Nämlich: Auftriebskrafterzeugung durch senkrechtes abwärts Beschleunigen der zuvor ruhenden Luft durch den Flügel
örtlich an jeder durchflogenen Stelle von weit oben bis nach weit unten.

Die um das Tragflügelprofil vorhandene Wirbelbewegung des Profilwirbels ergibt äußerste Widerstandsarmut. Der von oben angesaugte Luftstrom wird durch die Wirbelströmung elegant nach hinten verschoben zum ungehinderten Abwärtsfließen hinter der Endkante des Flügels.
Im Überschallflug gibt es diesen Wirbel nicht mehr. Der Sog der von oben angesaugten Luft, die nicht mehr hinter das Profil geschoben wird, konzentriert sich hier auf den hinteren Teil der Flügeltiefe, was durch die dortige Schräge der Flügeloberseite eine Sogkomponente nach hinten in Flugrichtung, also zusätzlichen Widerstand, ergibt. Die auf der Flugbahn nach unten in Bewegung gesetzte Luftmasse schafft sich durch Verdrängen der umgebenden Luft Platz. Daraus entstehen alle ortsfesten Wirbel rund um die Flugbahn! Der um die Flügelnase in Folge der Auftriebsentstehung durch das abwärts Beschleunigen von Luft entstehende `Profil´wirbel auf der Länge der Flugzeugspannweite umfaßt hier den Flügel in der Gänze seiner Tiefe. Der tatsächliche Wirbeldurchmesser ist jedoch viel kleiner als die Flügeltiefe. Das entsteht dadurch, daß sich während der Zeit der `Bogen´bewegung eines Luftteilchens über dem Flügelprofil der Flügel durch dessen Vorwärtsbewegung hindurchschiebt

Im Bild sind die tatsächlichen Wirbel- und Abwärtsbewegungen zweier Luftteilchen zu sehen.



Beim angetriebenen Flug erzeugt die nach vorn oben angestellte Fläche das abwärts Beschleunigen der Luft, die dadurch jedoch ein bißchen mit nach vorn in Flugrichtung geschoben wird. Das horizontal/vertikal ausgerichtete Koordinatensystem für den Gleitflug `dreht´ sich so, daß die abfallende Flugbahn des Gleitfluges im Reiseflug eine horizontale, im Steigflug eine ansteigende Flugbahn wird.

Der beim Fliegen entstehende Ringwirbel um den gesamten Rand der abwärts strömenden Luft (Flugbahn) besteht aus seinen vier Abschnitten: dem Anfahr-, dem Profil- und den beiden Flügelwirbeln, die die gefürchtete Wirbelschleppe darstellen! 

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Das ist die Physik des
Phänomens Fliegen!

Fliegen funktioniert wie Schwimmen:

Luft (Wasser) mit Flügeln (Händen, Füßen)
nach unten stoßen (treten)
oder
Luft (Wasser) mit der schiefen Ebene der
etwas schräg angestellten Flügel (Hände)
(Handflächen)
durch schnelle horizontale Bewegung
ausreichend schnell nach unten beschleunigen

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