Als Auftrieb bezeichnet man eine Kraft, die eine Flüssigkeit oder ein Gas auf einen Körper (oder auf ein Gasvolumen) ausübt, und zwar im Fall des statischen Auftriebs entgegen der Schwerkraft und im Fall des dynamischen Auftriebs quer zur Anströmrichtung.
Man unterscheidet statischen und dynamischen Auftrieb.
Abtrieb ist physikalisch gesehen die gleiche Kraft wie der Auftrieb, wirkt aber in die entgegengesetzte Richtung.
Statischer Auftrieb
Der statische Auftrieb ist eine Kraft, die der Schwerkraft entgegen wirkt.
Er entsteht, wenn sich ein Körper mit geringer Dichte in einer Flüssigkeit oder einem Gas mit höherer Dichte befindet. Dieser Effekt wird mit dem Archimedischen Prinzip beschrieben.
Beispiele für statischen Auftrieb:
- Ballons steigen auf, weil sie mit Gas (meist Helium oder heiße Luft, früher auch Wasserstoff) gefüllt sind, das eine geringere Dichte hat, als die umgebende (kalte) Luft. Genauer betrachtet, muss die Dichte des gesamten Ballons (inkl. Hülle, Korb etc.) geringer sein als die Dichte (=Masse/Volumen) der umgebenden Luft.
- Schiffe fahren auf dem Wasser, weil der in das Wasser eingetauchte Teil des Schiffes leichter ist als das verdrängte Wasser und das Gesamtgewicht des Schiffes dem Gesamtgewicht des von ihm verdrängten Wassers entspricht. Wegen der großen Lufträume hat ein Schiff trotz der schweren Baustoffe (Stahl etc.) insgesamt eine geringere Dichte (Masse/Volumen) als Wasser; daher schwimmt das Schiff. Wenn es leck schlägt, erhöht das einlaufende Wasser die Gesamtdichte des Schiffes, bis es sinkt.
- U-Boote: Beim statischen Tauchen werden die Ballastzellen (oder -tanks) geflutet (eigentlich entlüftet). Theoretisch ist es möglich ein U-Boot durch gutes Trimmen (mit Regel- oder Trimmzellen) in einer Tiefe zu halten. Praktisch machen Strömungen und unterschiedliche Salzgehalte dieses unmöglich. Im 2WK konnten einige Kapitäne ihr Boot am Sehror (Periskop) "aufhängen". D. h. das Boot wurde derart getrimmt, dass das Sehrohr aus dem Wasser schaute und wenn das Boot sank sich durch das zusätzliche Volumen des Sehrohr wieder ein Auftrieb entstand. Es ist möglich in einem U-Boot "aus dem Stand", d. h. ohne Antrieb (nur statisch) zu tauchen. Dabei werden die Ballasttanks entlüftet und das Boot in der gewünschten Tiefe "abgefangen" und ausgetrimmmt.
Dynamischer Auftrieb
Er ensteht, wenn der Körper sich relativ zum Gas oder zur Flüssigkeit bewegt. Die Kraft, die das Fluid (Gas oder Flüssigkeit) auf den Körper ausübt, besteht grundsätzlich aus zwei Komponenten:
- der Widerstand wirkt in Richtung der Anströmung,
- der dynamischen Auftrieb (engl.: lift force) wirkt rechtwinklig zur Anströmung.
Im Gegensatz zum statischen Auftrieb ist die Richtung des dynamischen Auftriebs nicht durch "oben" und "unten" im Sinne der Schwerkraft definiert, sondern nur dadurch, wie Körper und Strömung zueinander orientiert sind. Dennoch nennt man ihn auch dynamischen Abtrieb, wenn er in Richtung der Gewichtskraft wirkt, also entgegengesetzt zum statischen Auftrieb.
Dynamischer Auftrieb entsteht durch einen Druckunterschied zwischen gegenüberliegenden Seiten des umströmten Körpers.
Der dynamische Auftrieb hängt von der Größe und Richtung der Anströmgeschwindigkeit relativ zum Körper ab.
Beispiele für dynamischen Auftrieb:
- Tragflächen eines Flugzeugs
- Segel eines Segelboots
- Ruder eines Schiffes
- Tiefenruder eines U-Bootes
- Heckflügel eines Rennwagens
- der Rumpf eines Schiffes muss in der Kurve nach innen zeigen um Fliehkraft auszugleichen.
Vom Prinzip her stört ein Profil bei dynamischem Auftrieb die Strömung so, als ob sich dort zusätzlich ein Wirbel befände, der sich auf der Saugseite mit der Anströmung dreht und auf der Druckseite entgegengesetzt dazu - nicht genug, um die Strömung umzukehren, die Luft dreht sich also nicht wirklich um eine Flugzeug-Tragfläche. Nach einer Gesetzmäßigkeit, die man den Helmholz'schen Wirbelsatz nennt, kann ein Wirbelfaden nicht mitten in der Strömung plötzlich zuende sein. Der Wirbel, der ein Flugzeug trägt, setzt sich an den Enden der Tragflächen U-förmig nach hinten fort, was beim Starten und Landen ein zu dicht folgendes kleineres Flugzeug aufs Dach schleudern kann.
Beispiel für eine Kombination von statischem und dynamischen Auftrieb:
- Luftschiffe: Sie erzeugen statischer Auftrieb durch die Gasfüllung und dynamischen Auftrieb oder gegebenenfalls Abtrieb durch Motorenkraft (schwenkbare Propeller) und durch den Rumpf mit Hilfe der Steuerflächen.
- U-Boote: Als Dynamisches Tauchen bezeichnet man den Vorgang des Tauchens mit Hilfe des Antriebs und der Tiefenruder (Bug und Heck). Ohne dynamischen Auftrieb hat ein U-Boot immer eine Tendenz zum Steigen oder Sinken. Beim Alarmtauchen wird der Antrieb auf elektrisch und auf maximalen Schub (AK = äußerste Kraft voraus) geschaltet. Das Bugtiefenruder (z.B. 15°) nach unten gestellt und das Hecktiefenruder (z.B. 10°) nach oben gestellt. Dadurch entsteht eine extreme Neigung, die zusammen mit Antrieb und entlüfteten Ballasttanks ein schnelles Sinken bewirkt.
Abtrieb
Die dem Auftrieb entgegengesetzte Kraft wird bei bestimmten Anwendungen als Abtrieb bezeichnet. Abtrieb als die Kraft, mit der ein Körper auf den Boden gedrückt wird, spielt im Autosport eine wichtige Rolle, weil dort ein möglichst hoher Anpressdruck des Fahrzeuges auf die Straße erwünscht ist, um eine hohe Bodenhaftung und damit hohe Kurvengeschwindigkeiten zu erzielen. Abtrieb bezeichnet dabei den dynamischen Abtrieb durch aerodynamische Flächen, die bei Rennwagen Flügel genannt werden. Die im Automobilbau ebenfalls verwendeten Spoiler erzeugen keinen Abtrieb, sondern verhindern nur die Entstehung dynamischen Auftriebs, der durch die aerodynamischen Eigenschaften der Karosserieform erzeugt wird.
Siehe auch:
Auftriebsausgleich bei Luftschiffen