Aerodynamik
Aerodynamik ist Teil der Physik. Sie gehört darin zur Mechanik. Auf diesem Gebiet stellt sie das schwierigste Kapitel. Sie behandelt zum Einen die Strömungslehre und zum Anderen die Wechselwirkungen von Kräften zwischen Luft/Gas und festen Körpern. Aerodynamik liefert den Schlüssel zum Verstehen des Fliegens von Flugzeugen, Vögeln, Insekten, dem Fahren von Segelschiffen und dem Funktionieren von Windmühlen/Windkraftgeneratoren. Für Fahrzeuge, Gebäude und Natur beschreibt Aerodynamik die bei Wind durch deren Formen entstehenden Kräfte.
Aerodynamik und Hydrodynamik vereinigen sich zur Fluiddynamik; die Abgrenzung in der Literatur ist nicht immer klar.
Bis heute ist es nicht möglich, alle aerodynamischen Phänomene in der Natur exakt zu beschreiben. Mit teilweise sehr hohem Rechenaufwand lassen sich theoretische Resultate erreichen, die den realen Beobachtungen recht nahekommen. Für viele Anwendungen sind daher experimentelle Messungen in Windkanälen oder an Flugzeugen nötig. Das verleiht der Aerodynamik ihren empirischen Aspekt. Jedoch lassen sich mit neuen numerischen Verfahren (Numerik) gute Näherungen für Ergebnisse aus Versuchen erzielen.
Prinzip
In der Strömungslehre werden die Fließeigenschaften von gas- und fluidförmigen Medien untersucht. Ziele dabei sind, diese Medien mit möglichst wenig Druckverlusten von einem zu einem anderen Ort fließen zu lassen oder zu pumpen. Strömungsvorgänge als aerodynamische Vorgänge liegen auch innerhalb von Rotationsmaschinen für Flugzeug-Düsenantriebe bis zu Dampfturbinen vor.
In der vordergründig verstandenen Aerodynamik stehen Kräfte im Vordergrund. Zum Einen, um sie zu erzeugen als Auftrieb an Flugzeugen, Vögeln und Insekten oder Schubkraft bei Propellern und Schiffsschrauben. Zum Anderen, um Kräfte auszunutzen wie bei Windkraftgeneratoren, bei Segelschiffen und für Sportzwecke beim Kate-Sailing und anderem. Im Gegensatz zu einer Rakete, die eigene Masse dynamisch abstößt, um eine (Vortriebs-) Kraft zu erhalten, entsteht aerodynamische Kraft dadurch, dass Luftmasse der Umgebung ergriffen und beschleunigt wird.
Das Prinzip aerodynamischer Kraftentstehungen ist in allen Fällen gleich: Die Einwirkung einer festen Körperoberfläche auf die Luft, egal, ob sich die Luft zur Fläche hin bewegt (Windkraftgeneratoren) oder die Körperfläche sich zur Luft hin bewegt (Tragflügel, Propeller), erzeugt eine Veränderung der Bewegungen der Luftteilchen gegenüber den Bewegungen, die sie ansonsten beibehalten hätten. Nach dem Aktions-Reaktions-Prinzip (Rückstoßprinzip) auf Grund ihrer trägen Masse wirken die Veränderungen der Bewegung der Luftteilchen mit einer Kraft zurück auf die Fläche. Die Bewegungsveränderungen (Beschleunigungen) können sowohl in der Änderung der Richtung der Bewegung der Luftteilchen als auch in der Veränderung ihrer Bewegungsgeschwindigkeit bestehen.
Die aerodynamisch entstehenden Kraft-Effekte nach den von Newton gefundenen Trägheits- und Kraft-Prinzipien sind die Grundlage für die Auftriebskrafterzeugung am Tragflügel, Hubschrauberrotor, Windkraftrotoren und Schiffssegel. Als Vortriebskrafterzeugung am Propeller und Schiffsschraube. Aber genau so für den schlagenden Flug von Insekten. Das aerodynamische Prinzip setzt nur Beschleunigung von Luftmasse als BewegungsÄNDERUNG voraus. Wie das verwirklicht wird, ist ohne Belang, z. B. mit oder ohne Vorwärtsbewegung. Vögel fliegen z. B. mit oder ohne Vorwärtsbewegung: zum Einen elegant wie ein Flugzeug mit Vorwärtsbewegung, indem sie wie dieses Luftmasse durch die schräg angestellten Flügel nach dem Prinzip einer schiefen Ebene aus ihrem zuvorigen Zustand nach unten beschleunigen und zum Anderen durch senkrechtes Abwärtsschlagen von Luftmasse mit ihren Flügeln wie Insekten. Eine senkrecht startende Taube dreht ihre Flügel mit den Flächen senkrecht, bewegt sie nach oben, dreht sie waagerecht und schlägt (wie mit Fliegenklatschen) Luft impulshaft nach unten. Die in Einzelschüben dadurch in ihrem Bewegungszustand veränderte Luftmasse, hier nach unten beschleunigt, erzeugt Auftrieb als eine Kraft der Luft gegen die Flügel, womit sich die Taube anhebt.
In der Aerodynamik-Lehre für die Technik (Flugzeugbau, Strömungsmaschinenbau) bestehen mathematische Berechnungsverfahren, die sich an äußere Erscheinungen anlehnen. Das sind Meßwerte aus dem Windkanal. Die auffälligsten Erscheinungen am Tragflügel, die unterschiedlichen Geschwindigkeiten an Unter- und Oberseite, entstehend durch den Fahrtwind (der physikalisch keine Strömung darstellt) und der sogenannten `Zirkulation´ als Modellvorstellung dafür, um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten an Unter- und Oberseite des Tragflügels darstellen zu können, sind Ausgangspunkt. Dass sich der Wert der Zirkulationsgeschwindigkeit nicht theoretisch ableiten lässt, also extern bestimmt oder gemessen werden muss (was nach den Regeln der Physik nicht zulässig ist), ist Kennzeichen dafür, dass die technische Behandlung nicht das physikalische Grundprinzip des Vorganges zur Basis hat. Das wird auch dadurch deutlich, dass in Strömungsmaschinen die Berechnungsverfahren grundsätzlich anders sind. Physikalisch ergeben sich jedoch die Verhältnisse an Tragflügel, Propeller und z. B. Turbinenschaufel aus gleichem Grundsatz. Das ist in der Aerodynamik-Technik nicht der Fall. Technik-Formeln sind auf konstruktiven Erfolg ausgerichtet, können also vor der Findung der richtigen Naturprinzipien erstellt werden. Aus ihnen nachträglich die tatsächlichen physikalischen Grundlagen herauslesen zu können, ist nicht möglich. Wird also die richtige Physik für technisch erarbeitete Naturgeschehen später erkannt, ist eine Komplettrevision des technischen Formelwerkes erforderlich. Genau so, wie es nach Kopernikus mit den Berechnungen der Himmelsbahnen der Gestirne geschah.
Kräfteerzeugende Vorgänge nach dem aerodynamischen Prinzip erzeugen nicht verhinderbare Luftströmungen, die von bewegten Körpern hinterlassen werden. Bei feststehenden Körpern wie Windkraftanlagen wandern die erzeugten Luftströmungen mit dem Wind weiter. In beiden Fällen verursachen die für die Kraftgewinnung erzeugten Luftströmungen Wirbel. Diese wirken z. B. auf einen Tragflügel direkt zurück. Es entstehen an ihm Überlagerungen mit der scheinbaren Strömung des Fahrtwindes und den durch die Bewegungsveränderung der Luftteilchen erzeugten Luftabströmungen erzeugten realen Wirbelströmungen. Ein Teil der sich bildenden Wirbel strömt dabei um das Tragflügelprofil herum. Er bestätigt damit sogar die Existenz der `Zirkulation´, die mathematisch als Fiktion verstandenen wird. In den unmittelbar aerodynamisch erzeugten Abströmungen und dadurch mittelbar erzeugten Wirbelströmungen treten Bernoullische Effekte auf. Da diese aber Sekundärerscheinungen sind, können sie keinen ursächlichen Einfluss auf die durch das Aktions-Reaktions-Prinzip entstehenden Kräfte haben. Neueres über Aerodynamik mit der physikalischen Auftriebsformel ist bei www.flugtheorie.de zu sehen.
Wenn sich Luft und Körper nicht gegeneinander bewegen, greift am Körper nur die statische Auftriebskraft nach Archimedes an. Diese Kraft ist nicht Teil der Aerodynamik sondern wird von der Aerostatik beschrieben.