Jan Peter Apel

Die Bernoullitheorie


Alles in der Welt, außer der Elektromagnetik, funktioniert rein mechanisch! Das gilt bis ins Kleinste, über Atome hinunter bis sogar in die Quantenmechanik hinein. Also muß die Welt letztlich auch rein mechanisch erklärt werden können und dazu auch noch ohne jegliche Mathematik, denn Mathematik kann nicht erklären, sondern nur Symptome der Natur beschreiben. Hier die mechanische Erklärung des Bernoullieffektes.

Es wird immer gesagt: "Die Luft muß in engerem Querschnitten schneller strömen". Die Luft denkt gar nicht daran, irgend etwas zu müssen. Wenn sie wo schneller strömt, dann ist sie dazu gezwungen worden. Gezwungen durch einen Überdruck im Rücken gegenüber dem Druck vor ihr am Ende der Strömung. Vor jeder Verengung staut sich die Luft, was Überdruck entstehen läßt. Erst der drückt sie in eine Engstelle hinein. Wäre die Engstelle nicht da, würde an der Stelle, wo die Verengung begänne, nur der Druck benötigt, der die Reibung der Gase an den Wänden überwindet. 

Zum richtigen Durchblick zuerst Grundsätzliches über die Mechanik von Gasen

Gase werden durch einen Überdruck in Richtung kleineren Druckes dadurch schneller, weil ihre Moleküle in Räume mit weniger Gedränge, also geringeren Druckes, hinein strömen. Wer beschleunigt sie dazu? Sie brauchen sich nicht zu beschleunigen. Alle ihre Moleküle haben bereits Geschwindigkeiten: sie flitzen permanent in den Freiräumen zwischen den Molekülen, die aber sehr klein sind, und stoßen damit auch permanent gegen andere Moleküle und prallen wieder von ihnen zurück. Die Geschwindigkeiten der Moleküle entsprechen den Temperaturen der Gase (jedoch nicht proportional!): je höher die Temperaturen, je höher ihre Geschwindigkeiten. Also:

Geschwindigkeit entspricht Temperatur.
Beide lassen sich auch entsprechend umrechnen.

Die Summe der einzelnen kinetischen Energien der Moleküle aus ihren Geschwindigkeiten und Massen ergeben den Wärmemengeninhalt (Energieinhalt) der Gase. Also: Wärme ist mechanische Energie. Von außen sind die Bewegungen der Moleküle jedoch nicht sichtbar, nur indirekt als Zitterbewegungen von Sporensamen auf Wasser, die bekannten Brownschen Bewegungen.
Besteht ein Druckgefälle, so strömen die Moleküle der Gase mit ihren Geschwindigkeiten in die Räume mit niedrigerem Druck, sie bewegen sich mit ihren Geschwindigkeiten selbst da hinein. Ihre Geschwindigkeiten werden dann aber langsamer, da sie beim Stoß gegen voraus eilende und sich dadurch entfernende Moleküle nur langsamer wieder zurück prallen. In Summe verlieren die Moleküle durch die Ausdehnung der Gase an Geschwindigkeiten, damit auch an Temperatur.
In Wärmekraftmaschinen wie etwa Dampfmaschinen, -turbinen, Automotoren, wird nichts anderes gemacht, als von den Temperaturbewegungen von Gasmolekülen Anteile abzuzwacken und zu den Abtriebswellen der Maschinen zu leiten.
In Automotoren werden durch die Raumvergrößerungen durch die zurück gehenden Kolben und der damit verbundenen Entspannungen die Moleküle langsamer, die Verbrennungsgase also kälter. Die Verringerungen der Geschwindigkeiten der Moleküle gehen an die Kolben und von dort an die Abtriebswellen zum Antrieb der Autos. Wärmeenergie geht also als innere kinetische Energie der unsichtbaren Bewegungen der Moleküle in die äußeren sichtbaren mechanischen Bewegungen der Kurbelwellen von Motoren über.
In festen Stoffen besitzen deren Moleküle bei gleichen Temperaturen auch die gleichen Geschwindigkeiten wie die der Gase. Da sie sich aber nicht frei bewegen können, schwingen sie nur ortsfest an ihren Stellen hin und her. Deshalb können ihre kinetischen Energien nicht nach außen entnommen werden. Erst müssen ihre Geschwindigkeiten an die Moleküle komprimierbarer Gase (meist Wasserdampf) übergeben werden. (Die Energien fester Stoffe bei gleichen Gschwindigkeiten, also Tmperaturen,  sind aber höher, da deren Moleküle bzw. Atome meist schwerer sind.)
Der Begriff "Energie" ist aber kein "Ding" der Natur, sondern ein nur geistiger Kunstbegriff, also nur ein Software-Wort für mathematische Formulierungen von quantitativen Zusammenhängen beteiligter physikalischer Variablen. Die Natur selbst, damit auch die erklärende Physik ohne Mathematik, kennt keine Energie, sondern einzig nur Bewegungen und Massen. Die Natur besteht ausschließlich aus Dinglichem, das allerdings auch unsichtbar sein kann wie z. B. bei elektromagnetischen Wellen, also Radiowellen: nach Maxwell sind sie Schwingungen des unsichtbaren und noch unbekannten Stoffes Äther (Äther siehe in www.kosmosphysik.de).
Wenn Gase aus höherem Druck heraus fließen und dabei äußerlich schneller werden,
 wandern Teile ihrer unsichtbaren inneren Geschwindigkeiten
 zu eigenen (Düsenstrahl) oder dadurch bewegten Maschinenteilen
(Kolbenmotor, Turbinenrad) sichtbaren äußeren Geschwindigkeiten.
Könnten Gase ihre innere kinetische Energie ganz abgeben, so würden
Wärmekraftmaschinen einen Wirkungsgrad von 100 %  erreichen. Dazu müßten sie
sich aber bis zum absoluten Nullpunkt abkühlen können, was aber nicht machbar ist.
Geben sie nur die Hälfte ihrer inneren Energie ab, das bedeutet
bis zur halben Temperatur, so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 50%.

Der Bernoulleffekt:

Für ihn ist ein besonderer Ablauf nötig. Das entscheidende ist ein Diffusor am Ende einer Strömung. Der ist eine Erweiterung des Strömungsquerschnittes, in der sich eine Strömung wieder verlangsamt. Dieser Diffusor muß sich im Strömungsverlauf hinter der engen Stelle befinden. In der Luftfahrt gibt es sogenannte Pitotrohre, siehe Skizze. Das sind Venturirohre zur Erfassung der Geschwindigkeit von Flugzeugen. Sie stellen den klassischen Vorgang der Erzeugung eines bernoulliischen Unterdruckes dar. An der vorderen Mündung des Pitotrohres (links) entsteht ein Staudruck, der Luft durch die Engstelle treibt, die dann vom Diffusor wieder verlangsamt wird.


Ein Diffusor erhöht durch Querschnittserweiterung, damit Verlangsamung der Strömung, den Druck wieder an und die Temperaturen der Gase steigen damit auch wieder. Nachfließende Moleküle stoßen nämlich auf voran gehende schon langsamer gewordene, so daß sie schneller wieder zurück prallen, was die Temperatur wieder steigert.  
Die Wirkung des Diffusors, einen Unterdruck in der engsten Stelle zu erzeugen, führt dann dazu, daß Luft auch von vorn angesaugt wird. Der am Anfang benötigte Staudruck wird also geringer, sogar nur bis auf die Größe, die nur für die Reibung des Strömungsverlaufes erforderlich ist. Scheinbar ist also am Anfang kein Überdruck zur Erzeugung der Strömung erforderlich. Daraus entstand die Ansicht, daß Gase freiwillig schneller werden. Sie tun es aber nicht, sie werden nur statt gedrückt nun vom bernoulliischen Unterdruck gezogen. Daß mit Diffusor nur der kleine Reibungsdruck am Beginn der Strömung überwunden werden muß, macht die Grundvoraussetzung nicht unwirksam, daß eine Strömung eines von außen generierten Anschubes bedarf. 
Ohne einen von außen verursachten Überdruck
setzt sich Luft überhaupt nicht Bewegung

Das Ende des Diffusors, also dessen Austrittsquerschnitt, stellt das Ende einer Strömung dar und das ist normalerweise der Atmosphärendruck. Der ist damit Fix- oder Nullpunkt für alle Drücke in Strömungsverläufen. Der benötigte Überdruck am Beginn einer Strömung baut sich also in Bezug zum Atmosphärendruck als Enddruck einer Strömung auf.

Wann entsteht ein Bernoullieffekt?
Der Bernoullieffekt kann nur in einem Strömungsverlauf zwischen
Überdruck am Beginn und Enddruck einer Strömung mit
dazwischen liegender Engstelle mit anschließendem Diffusor entstehen.

An einem Flugzeugflügel gibt es keine Strömung, die von vorn nach hinten vorbei fließt. Der Fahrtwind ist nur eine scheinbare Strömung, in Wirklickeit nur ruhende Luft. Die Ansicht, daß durch den Buckel der Flügeloberfläche quasi ein halbes Venturirohr entstünde, ist falsch, da sie aus einem falschen, dem flugzeugfesten, Koordinatensystem entsteht. Richtige Theorien können nur aus Wahrheiten entstehen wie der:

Ein Flugzeug bewegt sich durch die Luft und nicht umgekehrt

Daß das Tauschen der Bewegungen, wie im Windkanal gemacht, für die von der Technik gemessenen nur Kräfte egal ist, bringt die Natur nicht dazu, dieser Logik zu folgen. Für die Natur gilt: ein Tausch von Bewegungen tauscht zwangsweise auch Ursache und Wirkung mit! Und das ist eine bekannte, aber von Aerodynamikern rigoros ignorierte physikalische Regel, die zum größten Fehler führt, der in der Physik überhaupt gemacht werden kann. Es gilt unbeirrt: ein bernoulliischer Unterdruck kann nur entstehen, wenn zuvor eine Strömung mit einem Druckgefälle in Gang gesetzt wurde. In der freien Atmosphäre gibt es solche Orte nicht und wenn doch, könnten Flugzeuge wie Drachen nur gegen den Wind fliegen.

Die Bernoullitheorie für das Fliegen ist falsch!

Erstaunlicherweise besteht im Detail an einer Stelle am Flügel von Flugzeugen doch ein bernoulliischer Unterdruck. Aber erst dann, wenn die Flügel durch ihre schon erfolgte Auftriebskafterzeugung die dazu gehörige örtliche Strömung in Gang gesetzt haben. Das mechanische runter Drücken von Luft schafft unter dem Flügel einen Überdruck und über ihm einen Unterdruck. Also entsteht eine Strömung von unten nach oben. An der Flügelhinterkante wird diese von der mechanisch nach dem Prinzip der schiefen Ebene großräumig nach unten gedrückt- und von oben angesogenen Luft als zusammenhängendem Abstrom (im englischen Down Wash) verhindert. An der Vorderkante jedoch, der Flügelnase, quillt eine gewisse Menge Luft als Druckausgleichsströmung nach oben. Diese erhöht die Fahrtwindgeschwindigkeit über dem Flügel. Mit Rauchfäden ist zu beobachten, wie sich die Luft schon in deutlicher Entfernung vor der Flügelnase anhebt, also nach oben fließt, was den zuvor geschilderten Vorgang bestätigt. 



Die absoluten (auf den Erdboden bezogenen) Bewegungen von Luftteilchen der Ausgleichsströmung zeigt das rot markierte Teilchen im Vergrößerungsfenster der Animation. Der Weg des Teilchens verläuft schon vor der heran kommenden Flügelnase nach oben und dann über der Flügeloberseite nach hinten, was den Fahrtwind im bekannten Maße erhöht. Dieses Luftteilchen dicht über dem Flügel macht eine Schleifenbewegung, bevor es mit dem durch die schräg angestellten Flügel erzeugten Abstrom mit nach unten fließt. Weiter zeigen die beiden Luftteilchen im Fenster, warum ein Flugzeug fliegt: es "reitet" auf der Reaktionskraft abwärts beschleunigter Luftmasse. Das ist das gleiche Prinzip, wie Raketen aufsteigen: durch abwarts beschleunigen von Gasmassen, die sie allerdings nicht von außen nehmen können, sondern nur aus ihrem Bauch heraus.

Die Verschnellerung des Fahrtwindes über dem Flügel wurde als die Verschnellerung einer Strömung mißverstanden, die am Flügel vorbei strömt, die es aber gar nicht gibt. Fahrtwind ist keine Strömung, die einem Druckgefälle folgt, sondern ruhende Luft. Nur im falschen Koordinatensystem des Windkanals zeigen Bilder von Rauchfäden das Bild, das sich auch in einem Pitotrohr zeigt. Diese nur bildhafte Übereinstimmung ist das einzige nur Indiz für die Bernoullitheorie des Fliegens. Es scheint zwar so, als ob es in beiden Fällen, Venturirohr und Flügeloberseite, das Gleiche ist, ist es aber nicht: Schein ist leider nicht immer Sein. Wenn alles so wäre wie es aussieht, wäre die Physik schon längst am alles erklären könnenden Ende angelangt. Der nur am Ort der Flügelnase örtlich entstehende Bernoullieffekt gehört einzig nur zu der Luftmenge, die von unten um die Flügelnase herum nach oben strömt und den Fahrtwind nur dicht über dem Flügel um etwa 10 % erhöht.

Warum entsteht an der Flügelnase dieser bernoulliische Unterdruck? Die Geschwindigkeit der absoluten und damit echten "Ausgleichsströmung" von unter zu über dem Flügel ist um die Flügelnase herum am höchsten, weil dort für das Herumkommen am wenigsten Platz ist, was funktionell einer Engstelle entspricht. Über dem Flügel ergibt sich durch die gewölbte und nach hinten unten abfallende Oberfläche die Funktion eines Diffusors. Daß dieser nur örtliche bernoulliische Unterdruck in der Ausgleichsströmung den Auftrieb aber gar nicht erhöht, zeigt sich beim Überschallflug, wo diese Strömung um die Flügelnase herum nicht mehr entstehen kann und damit auch keine höhere Fahrtwindgeschwindigkeit über dem Flügel entsteht, das Flugzeug aber trotzdem unverändert weiter fliegt, obwohl man ja dem Bernoullieffekt die gesamte Auftriebserzeugung zuschreibt.

An Flugzeugen ist bei feuchtem Wetter manchmal Nebel über den Flügeln sichtbar. Er entsteht aus der Abkühlung der großflächig von über dem Flügel herab angesaugter Luft, die sich von oben durch den Atmosphärendruck in den niedrigeren mechanisch entstehenden Unterdruckbereich über dem Flügel hinein beschleunigt und sich dabei ein paar Grad abkühlt, so daß der Taupunkt der Luft bei entsprechender Feuchtigkeit unterschritten wird. Der Unterdruck über dem Flügel wird aber nicht durch einen Bernoullieffekt erzeugt, sondern durch die Abwärtsbewegung der Oberfläche angestellter Flügel an jeder Stelle in der Luft, durch die sich die Flügel bewegen. Unmittelbar hinter den Flügeln verschwindet der Nebel wieder, da dort kein Unterdruck in der Luft mehr vorhanden ist, es verbleibt nur eine fast vertikal abwärts strömende Luft. Nur die Rückstoßkraft dieser nach unten beschleunigten Luftmasse ist die Auftriebskraft.

Das Geheimnis des Fliegenkönnens ist seit mehr als 100 Jahren in seiner Undurchsichtigkeit eines der größten Probleme der Naturerkundung und ungewolltes Vorbild für Einsteins genau so falsche Relativitätstheorien, ebenfalls aus der Verwendung eines falschen Koordinatensystems entstanden (siehe www.kosmosphysik.de). 
 
flugtheorie.de