Ersterscheinung 23.12.2003
von J. Peter Apel

Aerokinetischer Stoß

Das Stoßgeschehen zwischen Luft und Tragflügel zum Verständnis der Luftkraftbildung aus dem Staudruck
The impact happening between air and wing to understand the aerodynamic force formation from the pitot pressure

Im Tennisspiel werden beim Aufschlag Geschwindigkeiten des Balles von über 200 km/h erreicht. Die Schlägergeschwindigkeit dürfte demgegenüber bei maximal 40 km/h liegen. Wie kommt das?

Das Geheimnis liegt im Stoß.
Stoß ist ein Vorgang, bei dem eine Kraft eine gewisse Zeit auf einen Körper einwirkt. Die physikalische Dimension für die Größe eines Stoßes ist demgemäß Ns.

Der Stoßvorgang des Tennisschlägers gegen den Ball läuft so ab: Die Schläger trifft den Ball. Dieser muß aus seiner in Schagrichtung ruhenden Lage in Bewegung versetzt, beschleunigt werden. Seine Masse setzt dem einen Widerstand, die Reaktionskraft m * a entgegen. Diese Reaktionskraft führt zu einem elastischen Zusammendrücken des Balles. Zum Ende des Schlages (Stoßes) geschieht folgendes: der Ball hat die Geschwindigkeit der Schlägerbewegung erhalten. Zusätzlich federt er aus seiner durch den Stoß elastischen Verformung (Zusammendrückung) wieder zurück, ebenfalls in Schlagrichtung. Gleiches Geschehen erfährt die Schlägerbespannung: Verformung nach hinten und wieder Vorschnellen nach Ende des Stoßes. Alle drei Beschleunigungen addieren sich zum Ende des Schlages zur Aufschlaggeschwindigkeit.

Gleiches Geschehen wie dem Ball erfährt die Luft, wenn sie vom Tragflügel `getroffen´ wird.
Der Tragflügel erteilt der Luft durch seine Anstellung nach dem Prinzip der schiefen Ebene eine Bewegung nach unten. Ein Kubikmeter Luft hat in Bodennähe etwa 1,2 kg Masse. Die Zeit, mit der die Luft auf ihre Abwärtsreise geschickt wird, also die Stoßzeit, beträgt bei einem Verkehrsflugzeug bei 540 km/h nur 37 Millisekunden! Die Luft wird wie der Tennisball durch die Unterseite des Flügels zusammengedrückt (verformt) bzw. von der Oberseite gedehnt. Dadurch entstehen die Drücke(Unterdrücke) am Tragflügel. Ein Flugzeug reitet sozusagen auf dem Stoß, den es der Luft erteilt. Die nach dem Stoß (Durchflug) verbleibende Luft-Abströmung erhält dabei eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von nur etwa 15 km/h.

Diese, gegenüber der Fluggeschwindigkeit `unscheinbare´ Geschwindigkeit hat in der Vergangenheit dazu geführt, daß deren grundlegende Bedeutung nicht erkannt wurde. Bei Landegeschwindigkeit eines Jumbo beträgt die vom Flugzeugflügel in einer Sekunde in Bewegung versetzte Masse etwa 1000 Tonnen. Das ist etwa sieben mal so viel, wie er selbst bei der Landung wiegt.

Auftrieb entsteht wesentlich aus einem Stoßgeschehen mit der Luft. Die `Verstärkung´ aus der elastischen Beschleunigung der Luft durch Stoß-Komprimierung und folgender Entspannung zusammen mit der Beschleunigung aus der geometrischen Wirkung der schiefen Ebene ist eines der wichtigsten Geheimnisse des Fliegens.

Eine direkte Berechnung der Luftkraft aus den diversen örtlichen Beschleunigungen gegenüber der `pauschalen´ über das Durchflußprinzip ist jedoch schwierig, da die Bewegungen aller in der Luft vom Flügel beeinflußten Luftteilchen bekannt sein müssen. Das bleibt der weiteren Zukunft überlassen.

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