Wenn wir uns mit der Mechanik des Vogelfluges beschäftigen wollen,
werden wir hauptsächlich mit denjenigen Kräften zu thun haben, die am
fliegenden Vogel in Wirkung treten. Das Fliegen der Tiere ist weiter
nichts als eine beständige Überwindung derjenigen Kraft, mit welcher die
Erde alle Körper, also auch alle ihre Geschöpfe anzieht. Der fliegende
Vogel aber spottet dieser Anziehungskraft vermöge seiner Fliegekunst und
fällt nicht zur Erde nieder, obwohl die Erde ihn ebenso an sich zu
ziehen und festzuhalten sucht wie ihre nicht fliegenden Lebewesen.
Das Fliegen selbst aber ist ein dauernder Kampf mit der Anziehungskraft
der Erde und zur Überwindung dieses Gegners ist es wichtig, ihn zunächst
etwas näher zu betrachten.
Die Anziehungskraft der Erde oder die Schwerkraft ist das Ergebnis eines
Naturgesetzes, welches das ganze Weltall durchdringt und nach welchem
alle Körper der Welt sich gegenseitig anziehen. Diese Anziehungskraft
nimmt zu mit der Masse der Körper und nimmt ab mit dem Quadrate ihrer
Entfernung. Als Entfernung der sich anziehenden Körper ist die
Entfernung ihrer Schwerpunkte anzusehen.
Wenn daher ein Vogel sich höher und höher in die Luft erhebt, so kann
man trotzdem kaum von einer Abnahme der Erdanziehung sprechen, denn
diese Erhebung ist verschwindend klein gegen die Entfernung des Vogels
vom Schwerpunkt oder Mittelpunkt der Erde.
Da wir der Erde so sehr nahe sind im Vergleich zu anderen Weltkörpern,
so verspüren wir nur die Kraft, mit welcher wir von der Erde angezogen
werden.
Das Gewicht eines Körpers ist gleich der Kraft, mit welcher die Erde
diesen Körper an sich zieht. Als Krafteinheit pflegt man das Gewicht von
1 kg anzusehen und hiernach alle anderen Kräfte zu messen.
Die bildliche Darstellung einer Kraft geschieht durch eine Linie in der
Kraftrichtung von bestimmter Länge je nach der Größe der Kraft.
Die Schwerkraft ist immer wie die Lotlinie nach dem Mittelpunkt der Erde
gerichtet.
Die Anziehungskraft der Erde kann man wie alle anderen Kräfte nur durch
ihre Wirkung wahrnehmen. Ihre sichtbare Wirkung aber besteht, wie bei
allen Kräften, in Erzeugung von Bewegungen.
Wenn eine Kraft auf einen freien, ruhenden Körper stetig wirkt, so
beginnt der Körper in der Richtung der Kraftwirkung sich zu bewegen und
an Geschwindigkeit stetig zuzunehmen. Die Größe der Bewegung in jedem
Augenblick wird durch den in einer Sekunde zurückgelegten Weg gemessen,
wenn die Bewegung während dieser Sekunde gleichmäßig wäre. Man nennt
diesen sekundlichen Weg die Geschwindigkeit eines Körpers.
Die Anziehungskraft der Erde oder Schwerkraft wird einem Vogel in der
Luft, dem plötzlich die Fähigkeit des Fliegens genommen ist, eine nach
unten gerichtete Bewegung erteilen, welche an Geschwindigkeit stetig
zunimmt; der Vogel wird fallen, bis er an der Erde liegt.
Ein solches Fallen in der Luft giebt aber keine genaue Darstellung von
der Wirkung der Schwerkraft, weil der Widerstand der Luft die
Fallgeschwindigkeit sowie die Fallrichtung beeinträchtigt.
Die unbeschränkte Wirkung der Schwerkraft läßt sich daher nur im
luftleeren Raum feststellen, und in diesem fällt jeder Körper ohne
Rücksicht auf seine sonstige Beschaffenheit mit derselben gleichmäßig
zunehmenden Schnelligkeit und zwar so, daß er am Ende der ersten Sekunde
eine Geschwindigkeit von 9,81 m hat, die stetig und gleichmäßig zunimmt,
sich also nach jeder ferneren Sekunde um 9,81 m vermehrt. Diese
sekundliche Zunahme der Geschwindigkeit nennt man Beschleunigung. Die
Beschleunigung der Schwerkraft ist also 9,81 m.
Auch an dem nicht aus der Luft geschossenen, fliegenden Vogel wird die
Beschleunigung der Schwerkraft sichtbar sein; denn wenn der Vogel zu
neuem Flügelschlage ausholt, setzt sofort die Schwerkraft mit ihrer
Beschleunigung ein, und senkt den Vogel um ein Geringes, bis der neue
Flügelniederschlag erfolgt, der den Vogelkörper um die gefallene Strecke
wieder hebt und so die Wirkung der Schwerkraft ausgleicht.
Die Anziehungskraft der Erde ist aber nicht die einzige Kraft, die auf
den Vogel wirkt, vielmehr verdankt er seine Flugfähigkeit gerade dem
Auftreten verschiedener anderer Kräfte, mit denen er die Wirkung der
Schwerkraft bekämpft.
Die Mechanik pflegt die Kräfte in 2 Klassen zu teilen, in treibende
Kräfte, oder in Kräfte in engerem Sinne, und in hemmende Kräfte oder
Widerstände.
Die treibenden Kräfte sind geeignet, Bewegungen zu erzeugen und, wie ihr
Name sagt, als Triebkraft zu dienen.
Zu diesen Kräften haben wir außer der Schwerkraft z. B. auch die
Muskelkraft der Tiere zu rechnen, sowie das Ausdehnungsbestreben des
gespannten Dampfes, der gespannten Federn u. s. w.
Jede treibende Kraft kann aber auch als hemmende Kraft auftreten,
insofern sie an einem in Bewegung befindlichen Körper dieser Bewegung
entgegengesetzt wirkt und dadurch die Bewegung vermindert, wie es der
Fall ist in Bezug auf die Wirkung der Schwerkraft an einem in die Höhe
geworfenen Körper.
Zu den hemmenden Kräften gehört vor allem diejenige Kraft, deren
Eigenschaften die Natur bei dem Fluge der Vögel in so vollkommener Weise
ausnützt und mit der wir uns in diesem Werke ganz eingehend beschäftigen
müssen, der sogenannte »Widerstand des Mittels«, den jeder Körper
erfährt, wenn er sich in einem Mittel, z. B. in der Luft, bewegt. Ein
solcher Widerstand kann deshalb nie direkt treibend wirken, weil er
durch die Bewegung selbst erst hervorgerufen wird, er dann aber diese
Bewegung stets wieder zu verkleinern sucht und nicht eher aufhört, bis
die Bewegung selbst wieder aufgehört hat.
Der Widerstand des Mittels, also der Widerstand des Wassers, sowie der
Luftwiderstand kann nur _indirekt_ als treibende Kraft auftreten, wenn
das Mittel selbst, also das Wasser oder die Luft in Bewegung sich
befindet, wovon alle Wasser- und Windmühlen und, wie wir später sehen
werden, auch die segelnden Vögel ein Beispiel geben.
Fernere Widerstandskräfte sind beispielsweise die Reibung sowie die
Kohäsionskraft der festen Körper, auch diese können nicht unmittelbar
treibend wirken, sondern nur als Widerstand auftreten, wenn es sich um
ihre Überwindung, z. B. beim Transport von Lasten und bei der
Bearbeitung des Holzes, der Metalle oder anderer fester Körper handelt,
wo der schneidende Stahl die Kohäsionskraft aufheben muß.
Eine Kraft ist zwar stets die Ursache einer Bewegung, aber wenn ein
Körper sich nicht bewegt, so ist daraus noch nicht zu schließen, daß
keine Kräfte auf ihn einwirken. Wenn z. B. ein Körper auf einer
Unterstützung ruht, so wirkt dennoch die Anziehungskraft der Erde auf
ihn; ihr Einfluß wird nur aufgehoben, weil eine andere gleich große aber
entgegengesetzt gerichtete Kraft zur Wirkung kommt, und zwar der
Unterstützungsdruck, der von unten ebenso stark auf den Körper drückt,
wie der Körper durch sein Gewicht auf die Unterstützung.
Hier heben sich die beiden wirksamen Kräfte gegenseitig auf und der
Körper ist im Gleichgewicht der Ruhe.
Auch an dem in der Höhe schwebenden Vogel muß ein nach oben gerichteter
Unterstützungsdruck wirksam sein, den der Vogel sich irgendwie geschafft
haben muß, und welcher dem Vogelgewichte das Gleichgewicht hält.
Auch am fliegenden Vogel werden die wirksamen Kräfte sich
zusammensetzen, wie die Mechanik es lehrt, sodaß, wenn sie in gleicher
Richtung auftreten, sie sich in ihrer Wirkung ergänzen, und wenn sie
entgegengesetzt gerichtet sind, sich ganz oder teilweise aufheben, je
nach ihrer Größe.
Auch Kräfte, welche nicht nach derselben Richtung am Vogelkörper wirksam
sind, kann man nach der Diagonale des aus diesen Kraftlinien gebildeten
Parallelogramms zusammensetzen, ebenso, wie man eine Kraft nach dem
Parallelogramm der Kräfte in zwei oder mehrere Kräfte zerlegen kann, die
dasselbe leisten wie die unzerlegte Kraft.
Auch die durch Kräfte hervorgerufenen Bewegungserscheinungen werden am
Vogel sich nicht anders äußern als an jedem anderen Körper.
Wenn eine Kraft einen Körper in Bewegung gesetzt hat und hört dann auf
zu wirken, oder eine andere Kraft tritt hinzu, welche der ersten Kraft
das Gleichgewicht hält, so bleibt der Körper in Bewegung, aber mit
derselben Geschwindigkeit und in derselben Richtung, die er im letzten
Augenblicke hatte, als er noch unter dem Einflusse einer einzigen
Kraftwirkung stand; er ist dann im Gleichgewicht der Bewegung und keine
wirksame Kraftäußerung findet mehr statt, obgleich Bewegung vorhanden
ist.
In solcher Lage befindet sich der Körper eines mit gleichmäßiger
Geschwindigkeit dahinfliegenden Vogels. Auch hier herrscht Gleichgewicht
unter den Kräften, weil der Vogel durch seine Flügelschläge nicht bloß
eine Kraftwirkung hervorruft, wodurch er die Schwerkraft aufhebt,
sondern er überwindet auch dauernd den Widerstand, den das
Durchschneiden der Luft nach der Bewegungsrichtung verursacht.
Wie nun die Natur aus dem ewigen Spiel der Kräfte an der gleichfalls
ewigen Materie sich bildet, bringt der Mensch das Kräftespiel durch
Wirkung und Gegenwirkung in der Technik zum bewußten Ausdruck.
Einfach erscheint uns der Vorgang, wenn wir durch die Kraft unseres
tretenden Fußes die Drehbank oder den Schleifstein in Bewegung setzen,
um die Metalle zu bearbeiten und so die Muskelkraft unseres Beines zur
Überwindung der Kohäsionskraft und Reibung verwenden. Nicht minder
einfach bei richtiger Zergliederung sind die Überlegungen, welche uns
dahin führen, die im Brennmaterial schlummernde Kraft als Dampfkraft in
Thätigkeit treten zu lassen, wenn es sich darum handelt, Widerstände zu
überwinden, denen unsere Muskelkraft nicht gewachsen ist.
Auch die Zeit kann einmal kommen, wo die Flugtechnik einen wichtigen
Teil der Beschäftigung des Menschen ausmacht, wenn für die Fliegekunst
jene große Überbrückung aus dem Reiche der Ideen in die Wirklichkeit
stattfinden sollte, wenn der erste Mensch in klarer Erkenntnis
derjenigen Mittel, welche eine übergroße Kraftäußerung beim wirklichen
Fliegen entbehrlich machen, einen freien Flug durch die Luft unternimmt.
Sei es, daß jener Mensch seinen Flügelapparat, was wünschenswert wäre,
so anzuwenden versteht, daß seine Muskelkraft ausreicht, ihn die
erforderliche Bewegung machen zu lassen, sei es, daß er zur
Maschinenkraft greifen muß, um seine Flügel mit dem erforderlichen
Nachdruck durch die Luft zu führen; in jedem Falle gebührt ihm das
Verdienst, zum ersten Male Sieger geblieben zu sein in jenem Ringen,
welches sich um die Überwältigung der zum Fliegen notwendigen
Kraftanstrengung entsponnen hat.
Die Größe dieser Kraftanstrengung, dieser Arbeitsleistung müssen wir
unbedingt kennen lernen. Nur wenn dieses im vollsten Maße geschehen ist,
können wir weiter auf Mittel sinnen, das große Problem seiner
Verwirklichung entgegenzuführen.
Was aber ist Kraftanstrengung, was versteht man unter Arbeitsleistung
beim Fliegen? Auch diese Begriffe können für die Fliegekunst nur
dieselbe Bedeutung haben wie in der sonstigen Technik. Jede Kraft, wenn
sie in sichtbare Wirkung tritt, leistet Arbeit, jeder Widerstand
erfordert Arbeit zu seiner Überwindung. Arbeit ist nötig, um eine Anzahl
Ziegelsteine auf das Baugerüst zu heben, Arbeit ist nötig, um das Wasser
aus der Erde zu pumpen, Arbeit verursacht das Mischen des Mörtels mit
dem Wasser, Arbeit ist auch erforderlich, um -- einen Flügel durch die
Luft zu schlagen.
Die Größe der Arbeit hängt ab von der Größe der Arbeit leistenden Kraft
oder dem zu überwindenden Widerstande. Sie hängt ferner davon ab, auf
welcher Wegstrecke diese Überwindung stattfindet.
Arbeitskraft und Arbeitsweg sind also Faktoren, aus denen die Arbeit
sich zusammensetzt. Das Produkt aus diesen Faktoren, also »_Kraft mal
Weg_« giebt einen Maßstab für die Arbeitsmenge.
Dieses Produkt aus der zu überwindenden Kraft und der Wegstrecke, auf
welcher diese Kraft überwunden wird, nennt man »_mechanische Arbeit_«
und mißt in der Regel die Kraft in Kilogrammen und den Weg in Metern.
Das auf diese Weise gebildete Produkt bezeichnet man dann mit
Kilogrammmetern (kgm).
Die Schnelligkeit, mit welcher eine derartige mechanische Arbeit
geleistet wird, hängt von der Stärke oder Energie des dazu verwendeten
Kraftaufwandes ab. Die zu einer Arbeitsleistung erforderliche Zeit ist
also maßgebend für die Leistungsfähigkeit der Arbeit verrichtenden
Kraft.
Die auf eine Sekunde entfallende mechanische Arbeitsleistung pflegt man
als Maß dieser Arbeitskraft anzusehen, und in Vergleich mit derjenigen
Arbeitsleistung zu stellen, welche ein Pferd durchschnittlich in einer
Sekunde hervorzubringen imstande ist.
Ein Pferd kann eine Kraft von 75 kg in einer Sekunde auf einer Strecke
von 1 m überwinden, es kann also sekundlich 75 kgm leisten. Hierbei ist
gleichgültig, wie groß die Kraft und wie groß die sekundliche
Geschwindigkeit ist, wenn nur das Produkt beider 75 beträgt.
Man nennt diese in einer Sekunde vom Pferde zu leistende Arbeit eine
Pferdeleistung, Arbeitskraft des Pferdes oder kurz Pferdekraft, das
Zeichen dafür ist »HP«.
Die Arbeitsleistung des Menschen beträgt ungefähr den vierten Teil einer
Pferdekraft, wenn es sich um dauernde Kraftabgabe handelt. Vorübergehend
kann jedoch der Mensch bedeutend mehr leisten, besonders, wenn dabei die
stark mit Muskeln ausgerüsteten Beine zur Wirkung kommen, wie beim
Ersteigen von Treppen.
Auf leicht ersteigbaren Treppen kann man für kurze Zeit sein Gewicht um
1 m pro Sekunde heben. Ein Mann von 75 kg Gewicht leistet also dabei 75
× 1 = 75 kgm oder eine Pferdekraft (HP).
Für die Größe der Arbeit ist nur die Größe der zu überwindenden Kraft
und nur der in die Richtung der Kraft fallende sekundliche Weg oder die
Geschwindigkeit maßgebend, mit welcher die Kraft zu überwinden ist,
nicht aber die Richtung dieser Kraft oder des Überwindungsweges; denn
diese Richtung läßt sich durch einfache mechanische Mittel beliebig
ändern.
Indem nur noch auf die hebelartige Wirkung der Flügel und die dabei zur
Anwendung kommenden Gesetze der Kraftmomente, in denen der
Luftwiderstand am Flügel sich äußert, hingewiesen werden soll, erscheint
die Fliegekunst als ein mechanisches Problem, dessen Zergliederung die
nächste Aufgabe sein soll.