Aerodynamik - Aerokinetik

Stand 3.6.2012

Wie funktioniert die Welt? Die Antwort darauf ist noch nicht möglich, da das alles gestaltende Weltprinzip der Natur noch nicht gefunden ist. Also muß die Welt geistig immer noch aufgeteilt werden in verschiedene selbständige Bereiche wie Mechanik, Elektrik, Wärmelehre, Chemie, Schwingungsgeschehnisse wie Optik und Akustik usw., aber auch in mikro- und makrokosmische, quantenmechanische und relativistische.

Fliegen gehört danach in die Gruppe Mechanik der Physik. Diese ist die scheinbar einfachste, denn man kann alles sehen und greifen. Aber man steckt mitten drin in den Geschehnissen ohne überblick. Subjektive Empfindungen kaschieren deshalb viele wahren Abläufe. Und das insbesondere beim Fliegen, wo auch noch Unsichtbares dabei ist. Das Ergebnis: das größte Durcheinander in der Physik besteht in der Mechanik.

Besonders im Ausland gilt Ludwig Prandtl als Vater der Aerodynamik. Er forschte mit sehr viel Erfolg. Nur die Flugaerodynamik trieb ihn fast bis zur Verzweiflung. Sein Ergebnis war, daß Auftrieb an einem Flügel auf Grund von Wirbeln entstehe. Woher die kommen, sagte er nicht. Daraus entwickelte sich die Populärtheorie des längeren Weges oberhalb eines Tragflügels als unterhalb und eine unbegründbare Verpflichtung der Luft, diesen längeren Weg in der gleichen Zeit zurückzulegen wie für den kürzeren Weg an der Flügelunterseite. Weder die Originaltheorie Ludwig Prandtl´s noch die Weglängenpopulärtheorie sind aber in der Lage, das Fliegen konsistent zu erklären. Sie können auch nicht die Folgeerscheinungen des Fliegens erklären wie z. B. die Entstehung der Wirbelschleppe und eines Boden- wie Deckeneffektes, des Anhebens der Luft vor einem Flügel und die nicht doppelte Tragfähigkeit eines Doppeldeckers gegenüber einem Eindecker. Diese Unfähigkeiten weisen nach den Regeln der Physik die Prandtl´sche Flugtheorie physikalisch als definitiv falsch aus.

Um zur Wahrheit zu kommen, ist es erforderlich, insbesondere den Begriff Strömung physikalisch exakt zu definieren. Strömung ist eine Bewegung von Luft, die einem Druckgefälle folgt. Nur eine solche ist in der Lage, vor einem Diffusor einen Unterdruck entstehen zu lassen. Fahrtwind ist dazu nicht in der Lage! Fahrtwind definiert sich als eine scheinbare Strömung, nur aus der Bewegung heraus sichtbar. Fahrtwind ist eine Bewegung des Beobachters, nicht eine der Luft!
Die Schulrechnung der Luftkraft mittels des bernoulliisch entstehenden Unterdruckes aus der höheren Fahrtwindgeschwindigkeit führt nur in die richtige Größenordnung, wenn der gesamte erhöhte Fahrtwind als Strömung angesehen wird. Das ist er aber nicht! Nur die Erhöhung (etwa 10%) ist eine einem Druckgefälle folgende Strömung, in der überhaupt ein Bernoullieffekt entstehen kann und auch entsteht. Diese Erhöhung der Fahrtwindgeschwindigkeit entsteht dadurch, daß der Flügel durch seinen Druck nach unten auf die Luft diese vor ihm hoch quellen läßt, was zu einem Abfließen nach hinten auf der Flügeloberseite führt. Die Hauptsache der Auftriebsluftkraft aber ist eine andere und wurde von Ludwig Prandtl richtig genannt: ein Tragflügel "schleudert“ Luft nach unten.

Eine Strömung von Luft an einem Flugzeugflügel gibt es in der Natur nicht. Ein Pilot sieht zwar die Luft von vorn auf sich zu „strömen“, genau so wie er nachts die Sterne von vorn (von Osten) auf sich zu strömen sieht, aber weder die Luft noch die Sterne "strömen" tatsächlich, sondern er bewegt sich. Für die Luft gibt es dafür extra den Begriff Fahrtwind, der eben keine Bewegung der Luft ist. Ein Bernoullieffekt kann aber nur in einer Strömung entstehen, die einem Druckgefälle folgt. Wer sollte dieses von vor nach hinter einem Flugzeugflügel an jedem Ort, an dem ein Flugzeug fliegt, erzeugen? Allerdings hat sich eine Fachsprache für Piloten entwickelt, die die Luft fälschlicherweise “strömen“ läßt und auch Eingang in die Lehre gefunden hat. Die Technik hat sich diese "Strömung" als sogar Denkgrundlage angeeignet. Ein desolater Zustand!

Der Vorgang des Fliegens ist kein aerodynamischer, sondern ein aerokinetischer.

Aerodynamik ist die Lehre der inneren Zustandsänderungen der Luft, ausgelöst durch Strömungs-Querschnittsänderungen, ohne Energiezu- wie -abfuhr. Sie gehört mit ihrem Bernoullieffekt letztlich zur Wärmelehre, Abteilung Thermodynamik: Energieverschiebungen von innen nach außen und umgekehrt. Aus innerer vielgerichteter kinetischer Energie (Wärmebewegungen der Moleküle) wird äußere in einer Richtung geordnete kinetische Energie als Geschwindigkeit des Ganzen und umgekehrt. Kräfte entstehen nur statisch als Wanddrücke.

Aerokinetik ist die Lehre der äußeren Zustandsänderungen der Luft (Bewegungsänderungen ihrer Masse) auf Grund äußerer Einwirkungen mit Energiezufuhr. Sie gehört zur Mechanik: ein Körper stößt einen anderen an, wodurch Kräfte nach Newton´s Gesetzen entstehen.

Würde ein Flugzeug aerodynamisch nach dem Bernoullieffekt fliegen, könnte die Wirbelschleppe hinter ihm nicht entstehen. Die in ihr enthaltene große kinetische Bewegungsenergie muß ja von "Etwas" in die Luft eingebracht worden sein. Ein Jumbo bringt mehr als das doppelte seines Gewichts von Luft in Bewegung, das sind mehr als 800 Tonnen. Die erforderliche Leistung dafür beträgt über 2000 PS. Die werden dafür benötigt, um Luft nach unten zu "schleudern", wie sich Ludwig Prandtl, der "Vater der Aerodynamik", ausdrückte. Die Reaktionskraft (Rückstoßkraft) daraus ist die Luftkraft, der vertikale Anteil die Auftriebskraft. Trotz dieser Erkenntnis erlag Prandtl aber der relativen Sicht des Windkanals mit seiner Vertauschung von Ursache und Wirkung und gebar eine aerodynamische Theorie, mit er er selbst aber nie zufrieden war. Sie war eine “Notgeburt“, eine Verzweiflungslösung, die bis heute keine konsistente Lösung des Rätsels Fliegen erbrachte.
Die von einem Tragflügel der Luft erteilten Bewegungen im Längsschitt (also nicht im Querschnitt, wo sich die Wirbelschleppe zeigt) sind hier folgend in "Die Wahrheit des Fliegens" und experimentell in "Fliegen im Flachwasserbett" zu sehen. Der Längsschnitt ist auch die Sicht in den Windkanal, aber: der Windkanal stellt nur einen Ausschnitt des Längsschnittes dar, der nicht alle Luftbewegugen erkennen läßt und er zeigt nicht die tatsächliche Bewegung des Flügels gegenüber der Luft, sondern eine nur relative, damit fiktive, Bewegung der Luft (den Fahrtwind, der keine Strömung ist!) gegenber dem Flügel, was eine Vertauschung von  Ursache und Wirkung darstellt. Aus dem Bild der vorbei rasenden Luft im Windkanal konnte zwangsläufig nur eine Fehlinterpretation für eine Flugtheorie entstehen, die Bernoullitheorie.


In der Aerodinetik gelten drei Grund-Gesetze:


Erstes aerokinetisches Grund-Gesetz:

Äußere Einwirkungen auf die Luft bewirken Bewegungsänderungen der Luft

Ein Flugzeug bewegt prinzipiell durch seine nach vorn oben angestellten Flügelflächen (ca. 6 Grad) Luft nach unten nach dem Prinzip der schiefen Ebene. Kann die Luft nach unten nicht frei abfließen, was über dem Boden eintritt, entsteht der Bodeneffekt. Unabhängig davon verwickelt sich die nach unten in Bewegung versetzte Luft seitlich rund herum mit der benachbarten Luft zu Wirbeln. Der Querschnitt durch diese Wirbel quer zur Flugbahn zeigt die Wirbelschleppe auf. Der Längsschnitt den Profilwirbel, der sich um das Tragflächenprofil dreht und den Anfahrwirbel, der ortsfest am Startort entstand. Alle Wirbel entstehen ursächlich daraus, daß Luft in umgebender Luft in Bewegung versetzt wurde! Ein Doppeldecker trägt deshalb nicht das doppelte, weil schon einer der beiden Flügel allein Luft bis zur Entfernung in der Größe der Spannweite des Flugzeuges nach unten wie von oben in Bewegung versetzt. Der andere Flügel liegt also im Wirkbereich des ersten und kann nur die Wirkung vom anderen an seiner Position wieder auffrischen.Luftkraft entsteht kinetisch als Rückstoßkraft beschleunigter Luft. Dafür ist eine Energiezufuhr nötig. 

Zweites aerokinetisches Grund-Gesetz:

Die Ursache-Wirkrichtungen aerokinetischer Geschehen gehen immer vom Körper zur Luft

Das ist unabhängig davon, wer sich wie und gegenüber wem auch immer bewegt!

Das Rotorblatt einer Windkraftanlage muß genau so wie ein Tragflügel Luft unter sich (das heißt bei ihm gegen den Wind!!), "schleudern", um eine Luftkraft zu erzeugen. In beiden Fällen bringen Rotorblatt und Flugzeugflügel Energie in die Luft ein. Die steckt dann hinter Flugzeugen wie hinter Windrotoren in Luftbewegungen in Form von Wirbeln. Deren Größen sind größer als die Durchmesser der Windrotoren bzw. der Spannweiten der Flugzeuge. Nach dem einschlafen dieser Wirbel ist die Luft wärmer geworden. Flugzeugflügel wie Windkraftrotorblatt müssen die Energie zu einer Luftkrafterzeugung von extern herholen. Das läßt sich durchaus mit dem vergleichen, was in einer hydraulischen Wirbelstrombremse für Motoren geschieht. Die Leistung des Motors wird durch Wirbel in Wärme verwandelt, die durch Schaufeln in der Bremse erzeugt werden.

Ein Motorflugzeug nimmt die für sein Fliegen benötigte Leistung für das Luft runter "schleudern" mit der Folge von Wirbeln, seinem Motor, ein Segelflugzeug au seiner potentiellen Höhenenergie. Bei steilerem Sinkflug entnimmt es mehr Energie und vernichtet sie mit seinen Sturzflugbremsen um nicht zu schnell zu werden. Ein Windkraftrotorflügel muß die Energie zur Luftkrafterzeugung ebenfalls von extern holen. Auch er muß, um eine Luftkraft nach vorn zu erhalten,  Luft nach unten schleudern, beschleunigen, was hierbei aber horizontal und gegen den Wind ist. Der Windkraftrotor entnimmt die Energie zu seinem in vertikaler Ebene stattfindenden "Rund"flug dem Rotationsimpuls der Erde. Das, was er mehr entnimmt, vernichtet er aber nicht wie ein Segelflugzeug mit seinen Sturzflugbremsen, sondern gibt er an den Stromgenerator. Die Erde wird dabei in Windrichtung zu einer Drehimpulsänderung gebracht. Die aerokinetischen Vorgänge an Segelflugzeugflügel und Windkraftrotorblatt sind identisch: in beiden Fällen muß Energie von außen zum Flugzeugflügel wie Rotorblatt fließen.
Ein Beispiel: Auf einem Eisenbahnwaggon stehe eine Windkraftanlage. Der Zug mit ihr wird mit konstanter Geschwindigkeit gegen die ruhende Luft gefahren. Die Rotorblätter werden zunächst so eingestellt, daß der Rotor leer mit der Drehzahl dreht, die nachher bei der Stromerzeugung auch vorliegen soll. Die Lok benötigt dafür eine bestimmte Leistung. Nun werden die Rotorblätter so verstellt, daß für diese Zuggeschwindigkeit die maximal mögliche Energie mit dem Windrad erzeugt wird. Diese Energie wird dann die Lok zusätzlich liefern müssen, damit der Zug nicht langsamer wird.

Nochmal anders: Ein Windkraftrotor funktioniert wie ein Segelflugzeug, das in steilerem Sinkflug eine Last hinter sich herziehen würde. Die Kräfte dafür entstehen nur aus durch von ihnen verursachten Einwirkungen auf die Luft. Ein Segelflugzeug entnimmt vertikal aus seinem Gewicht die Kraft, die es für seinen horizontalen Vorwärtsflug benötigt um eine Luftkraft zu erzeugen, die es trägt und vorwärts treibt. Ein Windkraftrotorblatt verwendet analog zur Gewichtskraft des Segelflugzeugs eine horizontale Kraft, die es nur über seine Befestigung dem Erdboden entnehmen kann, um in seinem vertikalen " Vorwärts"flug im Kreis die Luftkraft zu erzeugen, um eine Schlepplast (Stromerzeugung) mit sich herum ziehen zu können. Die Energie zum Last ziehen ist die, die ein Segelflugzeug in steilerem Sinkflug mit seinen Sturzflugbremsen vernichtet, um nicht zu schnell zu werden. Der Sinkgeschwindigkeit eines Segelflugzeuges entspricht die Windgeschwindigkeit beim Rotor einer Windkraftanlage, nur die Festpunkte sind nach der Galilei-Transformation verschoben: beim Segelflugzeug steht die Luft still und es selbst bewegt sich, beim Windkraftrotor steht er selbst still und die Luft bewegt sich. Aber: der physikalische Ablauf von Ursache nach Wirkung, das ist der Enegieeintrag von Flächen zur Luft, sind für Segelflugzeug und Windkraftrotorblatt identisch!

Die Technik kann sich aus dem wahren Funktionsablauf von äußerer Energiequelle zur Kraftgewinnung auf Flügel bevorzugt nach oben für Flugzeuge und bevorzugt nach vorn für Windkraftrotor"flügel" "ein Stück" heraus schneiden. Sie kann darin sogar die Richtung von Ursache nach Wirkung tauschen wie z. B. im Windkanal. Die quantitativen Ergebnisse bleiben dabei gleich, aber nur was die Kräfte anbelangt! Die Technik braucht einfach nur beobachtbare relative Beziehungen (Korrelationen) zueinander zu verwenden. Von der Physik (Fuktionismus von Ursache nach Wirkung) fluidkinetischer Vorgänge hat die heutige Technik keine Ahnung!!!

Drittes aerokinetisches Grund-Gesetz:

Körperoberflächen bewegen Luft mittels Bewegungen nur in ihren Senkrechten.

Das gilt für Flugzeug-, Insekten- und Vogelflügel wie auch für Schiffssegel und in Strömungsmaschinen, axialen wir radialen wie z. B. Gebläsen, Turbinen und Verdichtern und für alle Gase und Flüssigkeiten. Dieses Gesetz bestimmt die gesamten in der Aerokinetik geschehenden Vorgänge in all ihren Facetten und führt auch zur Beantwortung aller Fragen dieses Bereiches der Physik. Und nur die Beantwortung aller Fragen kann eine Theorie als richtig ausweisen, nicht etwa nur mathematische Richtigkeiten, die erbringen auch falsche Theorien (siehe in www.kosmosphysik.de). Dieses aerokinetische Grund-Funktions-Prinzip scheint trivial zu sein, aber: alle Naturprinzipien sind einfach, jedoch kompromißlos bestimmend! Das Gesetz gilt unverändert auch dann, wenn sich eine Oberfläche bei ihrer Einwirkung in ihrer Senkrechten auf die Luft dabei seitlich verschiebt. Das ist gerade beim Flugzeugflügel der Fall. Es bildet sich dabei nur eine Grenzschicht, bestehend aus an Körperoberflächen anhaftenden und mit den Körpern mitgehenden Luftteilchen bis zu dem geringen Abstand (mm bis cm), an dem die Luftteilchen keine Mitbewegung parallel zu den Körperoberflächen mehr mitmachen. Diese Grenzschicht entsteht durch die Zähigkeit der Luft, die benachbarte Luftteilchen etwas mitnimmt. Auf das aerokinetische Geschehen haben Grenzschichten keinen prinzipiellen Einfluß. Ein Flugzeug fliegt auch noch, wenn die Luft keine Zähigkeit besitzen würde. Es stützt sich auf von seinen Flügeln mechanisch abwärts gestoßener Luftmasse kinetisch ab. Kinetisch ist Luft die Summe vieler kleiner Massepunkte, ihrer Moleküle. Ein Tragflügel bewegt durch seine Anstellung nach dem Prinzip der schiefen Ebene während der Horizontalbewegung Luft fast vertikal nach unten, senkrecht zu seinen Oberflächen mit Unter- und Oberseite. Die Unterseite schiebt mit ihrer nach hinten abfallenden Oberfläche Luft nach unten und die Oberseite saugt durch ihre ebenfalls nach hinten abfallende Oberflächenkontur Luft von oben nach unten. Beides geschieht nach dem Prinzip der schiefen Ebene. Hinter einem Flugzeug entsteht somit ein durchgehender fast senkrecht abwärts fließender Luftstrom bis in Entfernungen von der Größe der Spannweite des Flugzeuges nach unten wie oben.

An in der Luft bewegten Körpern setzen sich auf Grund der zuvor dargestellten mechanisch-kinetisch erzeugten Drücke auch zusätzliche unerwünschte Strömungen von den Überdruckgebieten zu den Unterdruckgebieten in Gang. Auf dem Weg dieser Ausgleichsströmungen finden entsprechend den zur Verfügung stehenden Räumen und Weglängen innere Zustandsänderungen der Luft ohne Energiezu- und -abfuhr nach den Bernoulliischen Gesetzen statt. Daraus entstehen ihrerseits wieder Druckänderungen. Diese überlagern sich kumulativ zu denen aus dem primären kinetischen Ursprungsvorgang. Das führt zu Summen-Druckbildern, die zu falschen Interpretationen führen können. Und sie führten auch prompt zu einer falschen Theorie des Fliegens, der Bernoullitheorie.
Die rund um einen Körper durch sekundäre Ausgleichsluftströme bernoulliisch entstehenden Drücke gleichen sich in Summe zu null aus! Für die Luftkraftentstehung sind Luftmassen in Bewegung zu versetzen, ihnen also Energie zu erteilen. Bernoulliische Vorgänge sind jedoch energieneutral, können also weder einem Flugzeug noch der Luft Energie geben. Die für das Fliegen benötigten Kräfte erbringt die Luft ausschließlich durch kinetisch entstehende Rückstoßkräfte der vom Flugzeug dauerhaft in Bewegung versetzten Luftmassen. Für kinetisch auf die Luft einwirkende Körper (z. B. Flugzeuge) entstehen Luftkräfte nur durch die hinter ihnen verbleibenden Bewegungsänderungen der Luft gegenüber den zuvorigen Bewegungszuständen der Luft. Eine richtige Theorie für das Fliegen läßt sich aus den lokalen Summendrücken am Tragflügel aus wirksamer kinetischer und nichtwirksamer bernoullischer Entstehung nicht gewinnen. Das "beweist" schon Johann Wolfgang von Goethe:

"Zur Einsicht in den geringsten Teil ist die übersicht über das Ganze nötig".

Theorien für die Natur können niemals von unten aus Details nach oben gefunden werden sondern immer nur von oben nach unten. Das Obere kann nur erraten werden.

flugtheorie.de