Aerodynamik
Aerodynamik ist Teil der Strömungslehre und beschreibt das Strömungsverhalten von Gasen. Sog, Vortrieb, Auftrieb und Stirnwiderstand sind Phänomene der Aerodynamik und ermöglichen es beispielsweise Flugzeugen zu fliegen oder die Fortbewegung von Segelschiffen. Aerodynamik und Hydrodynamik vereinigen sich zur Fluiddynamik; die Abgrenzung in der Literatur ist nicht immer klar.
Heute ist es nicht möglich, alle Phänomene in der Natur mit Hilfe der Aerodynamik 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
Bewegt sich ein Körper durch die Luft, so drückt er diese auseinander. Bis zu seinem größten Querschnitt entsteht dadurch Überdruck an seiner Oberfläche, welchen man als Staudruck bezeichnet. Der Staudruck besitzt sein Zentrum an dem Punkt an dem die ankommende Luft den Flügel senkrecht trifft. Diesen Punkt bezeichnet man als Staupunkt. Im Bereich hinter dem größten Querschnitt des Körpers führt dessen Querschnittsabnahme dazu, dass die zur Seite verschobene Luft wieder zurückfließt, da sonst luftleere Räume entstehen würden. Im querschnittsverjüngenden Bereich des hinteren Körperteiles entsteht somit an der Körperaußenhaut Unterdruck.
Ist der Körper symmetrisch zu seiner Längsachse, so gleichen sich die Kräfte aus den Drücken am Umfang aller Querschnitte zu Null aus. Durch die Reibung der Luft am Flügel, der bewegten Luft und durch die Druckdifferenz zwischen Vorderseite und Rückseite erfährt der Körper lediglich eine Kraft entgegen der Flugrichtung.
Ist der Körper in seiner Form unsymmetrisch und/oder besitzt er eine Anstellung gegenüber seiner Bewegungsrichtung, so entsteht eine äußere Kraft dadurch, dass sich der Staupunkt verlagert und der Flügel dadurch die Luft über dem Flügel stärker beschleunigt und nach unten saugt und unter dem Flügel stärker abbremst und ebenfalls nach unten beschleunigt. Der Flügel gibt also durch die erzeugten Druckdifferenzen einen Impuls an die Luft ab, was sich als Auftrieb bemerkbar macht.
Eine Unterschall Tragflügel ist so konstruiert, dass er mit seiner Profilform und Anstellung Luft mit seiner Ober- wie Unterseite nur nach unten bei möglichst geringem Widerstand beschleunigt. Die dabei entstehende dynamische Kraft ergibt sich nach dem zweiten Newtonschen Axiom: Auftrieb ist gleich die pro Zeit vom Flügel bewegte Luftmasse mal deren Beschleunigung. Diese Luftmasse drückt man allerdings normalerweise durch den Staudruck aus der am Flügel angreift und die Luftmassen erst beschleunigt. Welche Ansicht man wählt ist hierbei egal, man kann diese Formel aus dem Bernoulli Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Druck eines Gases herleiten:
L = 1/2 * C * Luftdichte * Fluggeschwindigkeit ^2 * Flügelfläche
L = Lift (engl. Auftrieb, im Deutschen auch A oder FA) C = Konstante, die die Form des Flügelprofils wiedergibt. Sie wird meist experimentell bestimmt, kann aber für einfache Geometrien auch errechnet werden.
Nachdem die vom Flügel erzeugten Druckdifferenzen in der Luft ausgeglichen wurden besitzt die Luft einen Impuls. Wie sich dieser in der Luft hinter dem Flugzeug fortsetzt, ist in nebenstehenden Bild zu sehen: es entstehen große sogenannte Flügelwirbel. Im freien Luftraum werden sie mit "Wirbelschleppe" bezeichnet und solche Wirbelschleppen sind im nebenstehenden Bild zu sehen. [1].
![[1]](http://www.adv-net.org/gfx/content/lf_wirbelschleppe.jpg){kind=link}
Neben den Flügelwirbeln in Sicht der Flugbahn entstehen in Analogie dazu auch Wirbel in der Seitenansicht. Einer um das Tragflügelprofil herum mit Profilwirbel bezeichnet und einer am Startort des Flugzeuges, der sogenannte Anfahrwirbel. [2]. Im aufgerufenen Bild ist ein sogenannter Start-Stop-Flug mit dem Anfahrwirbel rechts und dem Profilwirbel um das Tragflügelprofil zu sehen.
![[2]](https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Images/shed.gif){kind=link}
Der Profilwirbel ändert sich sobald sich der Auftrieb der Tragfläche ändert. Die Überlagerungen haben z. B. zur Folge, dass sich der Staupunkt entlang Profilnase verschiebt. Die Luft wird durch den an der Flügeloberseite entstehenden Unterdruck und durch den an der Unterseite entstehenden Überdruck schon vor der eigentlichen Tragfläche quasi über den Flügel hinweggesaugt. [3]
![[3]](https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Images/right2.gif){kind=link}
Luftkraftentstehungen sind relative Vorgänge. Es ist also ohne Belang, ob sich der Flügel gegen die Luft oder die Luft gegen den Flügel bewegt: ausschlaggebend ist nur eine notwendige Differenzgeschwindigkeit zwischen Flügel und Luft.
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.