16. Vergrößerung des Luftwiderstandes durch Schlagbewegungen.

Es bleibt noch übrig, den für die Flugtechnik wichtigen Fall zu

untersuchen, wo der Luftwiderstand, wie beim Flügelschlage, dadurch

erzeugt wird, daß eine Fläche plötzlich aus der Ruhe in eine größere

Geschwindigkeit versetzt wird.

Für eine solche Bewegungsart einer Fläche können die früher angestellten

Betrachtungen keine Gültigkeit haben; denn für die Ausbildung einer

gleichmäßigen Strömungs- und Wirbelerzeugung ist hier keine Zeit

vorhanden. Ferner wird diejenige Luft, welche die Fläche bei ihrer

gleichmäßigen Bewegung ganz oder teilweise begleitet, sich mit der ihr

innewohnenden Massenträgheit der Bewegung widersetzen.

Überhaupt kann man diesen Fall so auffassen, daß die ganze Luft, welche

die Fläche zu beiden Seiten umgiebt, durch ihr Beharrungsvermögen

Widerstand leistet und nach plötzlich eingetretener Bewegung vor der

Fläche eine Verdichtung und hinter der Fläche eine Verdünnung erfährt,

welche zunächst der Fläche am stärksten auftreten und allmählich in die

normale Spannung übergehen, aus welchen beiden Wirkungen sich der auf

die Fläche ausgeübte Druck zusammensetzt. Auch für diesen Fall würde

sich mit Hülfe der reinen Mechanik und Mathematik ein Annäherungswert

berechnen lassen, wenn nicht eine neue Schwierigkeit dadurch entstände,

daß die Geschwindigkeit, welche eine derartig plötzlich bewegte Fläche

in jedem einzelnen Momente hat, eine andere ist und davon abhängt, daß

erstlich die bewegte Fläche an sich eine Massenträgheit besitzt, und

ferner die Veränderung des Luftwiderstandes selbst auf die Veränderung

der Geschwindigkeit Einfluß hat, sobald die Bewegung durch eine

treibende Kraft hervorgerufen wird.

Nicht weniger Schwierigkeiten wird es haben, bei derartigen

Flügelschlagbewegungen den in jedem einzelnen Moment stattfindenden

Luftdruck durch den praktischen Versuch zu ermitteln, denn es handelt

sich hierbei um Wegstrecken, die in einem Bruchteil der Sekunde mit

ungleicher Geschwindigkeit ausgeführt werden.

Aber Eins läßt sich wenigstens durch den Versuch ermitteln. Man kann für

gewisse Fälle den Durchschnittswert an Luftwiderstand feststellen, den

eine Flächenbewegung erzeugt, ähnlich der Flügelschlagbewegung des

Vogels; und obwohl die jeweilige Größe des Luftwiderstandes in den

einzelnen Phasen der Bewegung nicht leicht gemessen werden kann, so läßt

sich doch die summarische Hebewirkung beim Flügelschlag experimentell

bestimmen.

In den Jahren 1867 und 1868 sind von uns Versuche über die Größe des

Luftwiderstandes bei der Flügelschlagbewegung angestellt, und diese

haben ergeben, daß in der That durch die Schlagbewegung ein ganz anderer

Luftwiderstand entsteht, als durch die gleichmäßige Geschwindigkeit

einer Fläche.

Wenn eine Fläche flügelschlagartig bewegt wird mit einer gewissen

Durchschnittsgeschwindigkeit, so kann der 9fache, ja, sogar ein 25mal

größerer Luftwiderstand entstehen, als wenn dieselbe Fläche mit

derselben gleichmäßigen Geschwindigkeit durch die Luft geführt wird.

Um bei der Flügelschlagbewegung also denselben Luftwiderstand

zu erhalten als bei gleichmäßiger Bewegung, braucht die

Durchschnittsgeschwindigkeit des Flügelschlags nur den dritten bis

fünften Teil der entsprechenden gleichmäßigen Geschwindigkeit betragen.

Wenn mithin eine gewisse, von einer Fläche mit gleichmäßiger

Geschwindigkeit zurückgelegte Wegstrecke auf einzelne Flügelschläge

verteilt wird, so kann im letzteren Falle für das Zurücklegen dieser

Strecke die drei- bis fünffache Zeit verwendet werden, um

durchschnittlich denselben Luftwiderstand zu erhalten; die Fläche kann

also drei- bis fünfmal so langsam bewegt werden, wenn die Bewegung in

einzelnen Schlägen geschieht.

Zur _Überwindung_ des so erzeugten Luftwiderstandes ist daher nur eine

sekundliche Arbeit erforderlich, welche den _dritten bis fünften_ Teil

von derjenigen beträgt, die man aufwenden muß, um die Fläche mit

gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Luft zu bewegen, wobei derselbe

Luftwiderstand entstehen soll.

Diese Schlagbewegungen würden hiernach ein Mittel an die Hand geben, die

Arbeitsgeschwindigkeit zur Überwindung des hebenden Luftwiderstandes

beim Fliegen und somit im allgemeinen den Kraftaufwand beim Fliegen

bedeutend zu verkleinern gegenüber dem Fall, wo man genötigt wäre, die

Flugarbeit aus der gleichmäßigen Abwärtsbewegung von Flugflächen zu

berechnen.

Der Nutzen der Schlagbewegungen kommt offenbar allen Vögeln zu gut, wenn

sie sich in ruhiger Luft von der Erde erheben oder durch starke

Flügelschläge an derselben Stelle der Luft zu halten suchen.

Ohne diese Arbeitskraft ersparenden Eigenschaften der

Flügelschlagbewegung wären viele Leistungen der Vögel eigentlich gar

nicht zu verstehen.

Die Flugmethode der Vögel und anderer fliegender Tiere besitzt gerade

dadurch einen großen Vorteil, daß ihre Flugorgane durch die hin- und

hergehende Schlagbewegung die Trägheit der Luft gründlich ausnützen,

bedeutend mehr, als dieses der Fall sein würde, wenn an die Stelle der

Schlagbewegungen gleichmäßige Bewegungen träten. Wir haben also hierin

einen Vorteil zu erkennen, welcher dem Princip des Vogelfluges anhaftet

und welcher fortfällt, wenn das Princip des Vogelfluges nicht benutzt

wird, wie z. B. bei Anwendung von rotierenden Schraubenflügeln, die

unter allen Umständen mehr Kraft verbrauchen, als der geschlagene

Vogelflügel. Daß aber dieser Vorteil des Flügelschlages kein Privilegium

der Vogelwelt und der fliegenden Tiere überhaupt ist, wird durch

folgendes Experiment erläutert.

[Illustration: Fig. 10.]

Wir hatten uns einen Apparat, Fig. 10, hergestellt, welcher aus einem

doppelten Flügelsystem bestand. Ein mittleres breiteres Flügelpaar,

sowie ein schmaleres vorderes und hinteres Flügelpaar waren um eine

horizontale Achse drehbar und standen so in Verbindung, daß jeder Flügel

einer Seite sich hob, wenn der zugehörige der anderen Seite sich senkte,

und umgekehrt. Da die beiden schmalen Flügel zusammen so breit waren,

wie der mittlere breitere, so entstand auf jeder Seite gleichzeitig die

gleiche Tragefläche. Beim Heben der Flügel öffneten sich Ventile, welche

die Luft hindurchließen. Durch abwechselndes Ausstoßen der Füße ging

immer die Hälfte der Flugfläche abwärts, während die andere Hälfte mit

wenig Widerstand sich hob, wie aus der Figur ersichtlich. Der Apparat

war an einem Seil, das über Rollen ging, aufgehängt und war durch ein

Gegengewicht im Gleichgewicht gehalten.

Durch Auf- und Niederschlagen der Flügel konnte natürlich eine Hebung

erfolgen, sobald das Gegengewicht nur schwer genug war.

Diese Vorrichtung erlaubte nun eine Messung, wieviel die Hebung durch

Anwendung eines solchen Apparates, der durch Menschenkraft bewegt wird,

betragen kann, und wie groß sich dabei der durch Flügelschläge erzielte

Luftwiderstand einstellt.

Durch geringe Übung gelang es uns, auf diese Weise unser halbes

Gesamtgewicht zu heben, so daß, während eine Person mit dem Apparat 80

kg wog, ein 40 kg schweres Gegengewicht nötig war, um noch eine Hebung

zu ermöglichen. Die erforderliche Anstrengung war hierbei jedoch so

groß, daß man sich nur wenige Sekunden in gehobener Stellung halten

konnte. Die Größe der Flügel jedes Systems, das heißt die jederzeit

tragende Fläche betrug 8 qm. Die aufgewendete Arbeitsleistung schätzten

wir auf 70-75 kgm; denn eine vergleichsweise Kraftleistung beim

schnellen Ersteigen einer Treppe ergab dasselbe Resultat. Jeder Fuß

wurde ungefähr mit einer Kraft von 120 kg ausgestoßen und zwar auf der

Strecke von 0,3 m bei 2 Tritten in 1 Sekunde, was eine Arbeit von 2 ×

0,3 × 120 = 72 kgm ergiebt.

Der Ausschlag des Angriffspunktes für den Luftwiderstand mußte bei

diesem Apparat etwa 0,75 m betragen. Die Kraft des Fußdrucks reduzierte

sich also auf 0,3/0,75 × 120 = 48 kg und von diesen 48 kg mögen ungefähr

4 kg zum Heben der Flügel mit geöffneten Ventilen angewendet sein,

während der Rest von 44 kg zum Herunterdrücken der Flügel beansprucht

wurde. Die Differenz dieser Drucke 44 - 4 = 40 kg stellte dann die

eigentliche Hubkraft dar, die auch gemessen wurde.

Das Centrum des Luftwiderstandes der 8 qm großen Fläche legte ungefähr

den Weg von 0,75 m in ½ Sekunde zurück, seine mittlere sekundliche

Geschwindigkeit betrug daher 1,5 m. Auf diese Weise hat also die 8 qm

große Fläche bei der Flügelschlagbewegung, deren mittlere

Geschwindigkeit 1,5 m betrug, 40 kg Luftwiderstand gegeben; und zwar

schon nach Abzug des Widerstandes, den die Hebung der Flügel

verursachte.

Wenn dieselbe Fläche mit 1,5 m Geschwindigkeit gleichmäßig bewegt würde,

so entstände ein Luftwiderstand = 0,13 × 8 × 1,5^2 = 2,34 kg, aber mit

Rücksicht darauf, daß der Flügel vermöge seiner Drehung um eine Achse in

einzelnen Teilen verschiedene Geschwindigkeiten hat, würde (die Flügel

waren an den Enden breiter) nur ein Luftwiderstand von etwa 1,6 kg

entstehen, und dies ist nur der _25ste Teil_ Luftwiderstandes, der sich

bei der oscillatorischen Schlagbewegung wirklich ergab. Um bei

gleichmäßiger Drehbewegung der Flügel auch 40 kg Luftwiderstand zu

schaffen, müßte die Geschwindigkeit im Centrum 5mal so groß, also 5 ×

1,5 = 7,5 m sein. Wenn auf diese Weise der hebende Luftwiderstand von 40

kg gewonnen werden sollte, wäre eine 5mal so große Arbeit erforderlich,

als bei der Flügelschlagbewegung nötig gewesen ist.

Dieses Beispiel zeigt, daß die Arbeit, welche von den Vögeln geleistet

wird, wenn dieselben gegen die umgebende Luft keine Geschwindigkeit

haben und nur durch Flügelschläge schwebend sich halten, bedeutend

überschätzt wird, und daß die Kraftleistung etwa nur den fünften Teil

von derjenigen beträgt, die nach der gewöhnlichen Luftwiderstandsformel:

L = 0,13 × F × c^2 berechnet wird.

Was die Ausführung des Apparates, Fig. 10, anlangt, so waren die

Flügelrippen aus Weidenruten, die übrigen Gestellteile aus Pappelholz

gemacht. Die Ventilklappen waren aus Tüll gefertigt, durch den kleine

Querrippen aus 2-3 mm starken Weidenruten in Entfernungen von cirka 60

mm hindurchgesteckt waren, um die nötige Festigkeit zu geben. Darauf war

jede Ventilklappe ganz mit Kollodiumlösung bestrichen, welche in allen

Tüllmaschen Blasen bildete, die dann zu einem dichten Häutchen

erstarrten.

Auf diese Weise erhielten wir eine sehr leichte, dichte und gegen

Feuchtigkeit wenig empfindliche Flächenfüllung.

Es ist noch zu bemerken, daß wir vorher noch einen anderen Apparat zu

demselben Zweck hergestellt hatten, der sich dadurch unterschied, daß

nur ein Flügelsystem mit 2 Flügeln vorhanden war, das durch

gleichzeitiges Ausstoßen beider Füße herabgeschlagen und durch Anziehen

der Füße sowohl, wie mit den Händen wieder gehoben wurde.

Die Leistung mit diesem früher ausgeführten Apparat war eine wesentlich

geringere, als die mit dem Apparat, Fig. 10, erzielte, weil es für den

Organismus des Menschen offenbar unnatürlich ist, die Beinkraft durch

gleichzeitiges Ausstoßen beider Füße zu verwerten, gegenüber der

Tretbewegung mit abwechselnden Füßen.

Um eine allgemein gültige Formel für jeden Fall der Flügelschlagbewegung

aufzustellen, fehlt es an der ausreichenden Zahl von verschiedenen

Versuchen; denn die Zahl der Flügelschläge, die Größe des

Flügelausschlages und die Form der Flügel hat offenbar Einfluß auf den

Koefficienten einer solchen Formel, der vermutlich sogar in höherem

Grade mit der Fläche wächst.

Zu dieser Annahme wurden wir veranlaßt, als wir fanden, daß beim

Experimentieren mit kleineren Flächen nur etwa die 9fache Vergrößerung

des Luftwiderstandes durch Schlagbewegungen entsteht.

Bei diesen Versuchen, wo die Flächen etwa 1/10 qm betrugen, wurde ein

Apparat, wie ihn Fig. 11 darstellt, angewendet.

Es ist hier ohne weiteres ersichtlich, wie durch ein Gewicht G die

Flügelarme mit den Flächen dadurch in Bewegung gesetzt wurden, daß eine

Rolle R mit einer Kurbel K sich drehte und den Endpunkt P der Hebel A

und B hob und senkte. Bei P war ein Gegengewicht angebracht, welches die

Gewichte der Arme A und B, und der Flächen F, F ausbalanzierte. Während

das Gewicht G abwärts sank, machten die Flügel eine Reihe von Auf- und

Niederschlägen in der Größe von ab, zu deren Ausführung eine ganz

bestimmte mechanische Arbeit erforderlich ist, welche in diesem Falle

ganz genau gemessen werden kann, indem man das Gewicht G kg mit seiner

Fallhöhe h m multipliziert und das Produkt G × h kgm erhält.

[Illustration: Fig. 11.]

Diese Arbeit ist aber nicht allein zur Überwindung des erzeugten

Luftwiderstandes verwendet, sondern sie wurde teilweise auch dazu

verbraucht, die Massen des ganzen Mechanismus in hin- und hergehende

Bewegung zu versetzen, sowie die allerdings geringen Reibungen zu

überwinden.

Die Arbeit, welche zur Massenbewegung nötig ist, und annähernd auch die

Reibung kann man aber leicht aus dieser Gesamtarbeit G × h herausziehen.

Man braucht nur die ganzen Verhältnisse ebenso zu gestalten mit

_Ausscheidung_ des Luftwiderstandes. Zu diesem Zweck hatten wir die

Flügel F abnehmbar gemacht und nach Entfernung derselben schmale Leisten

unter den Armen A und B befestigt, die ebensoviel wogen wie die Flügel

F, und deren Schwerpunkt an demselben Hebelarm lag, während sie für die

Drehachse dasselbe Trägheitsmoment besaßen.

Wenn der Apparat nun in derselben Zeit dieselbe Zahl von Flügelschlägen

machen sollte, nachdem der größte Teil des Luftwiderstandes eliminiert

war, so war ein kleineres Gewicht g als Triebkraft erforderlich, das

sich leicht durch einige Proben finden ließ.

Hiernach hat das Gewicht G - g annähernd zur Überwindung des

Luftwiderstandes allein gedient, während (G - g) × h die vom

Luftwiderstand aufgezehrte Arbeit betrug.

Wenn man jetzt den Weg kennt, auf welchem der Luftwiderstand zu

überwinden war, so findet man auch den Luftwiderstand selbst, indem man

die Arbeit (G - g) × h durch diesen Weg dividiert.

Da das Centrum des Luftwiderstandes nach Früherem auf ¾ der Flügellänge

von der Drehachse entfernt liegen muß, kann man einfach ausmessen,

welchen Weg die Flügel an dieser Stelle zurücklegten, während das

Gewicht die Höhe h durchfiel. Ist dieser Weg gleich w, so ist der

Luftwiderstand im Durchschnitt ((G - g) × h)/w. Auf diese Weise läßt

sich also der mittlere Luftwiderstand bei Flügelschlagbewegungen

annähernd messen.

Nun gilt es aber, den Vergleich zu stellen für denjenigen Fall, wo von

den Flügeln der Weg w mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in derselben

Zeit bei Drehung nach einer Richtung zurückgelegt wird. Dieser

Luftwiderstand ist aber nach dem Abschnitt über die Widerstände bei

Drehbewegung leicht zu bestimmen. Man erhält hierdurch eben eine

Vergrößerung des Widerstandes durch Schlagbewegungen um das 9fache

gegenüber dem Widerstand, den die gleichmäßige Bewegung ergiebt.

Wenn z. B. die beiden Versuchsflächen 20 cm breit und 30 cm lang waren,

dann wurde an dem beschriebenen Versuchsapparate nach Fig. 11 G = 2,5 kg

und g = 0,5 kg, während beide Male in 6 Sekunden die 1,8 m große

Fallhöhe zurückgelegt wurde. Die Flügel machten dabei 25 Doppelhübe und

der Endpunkt beschrieb einen Bogen ab von 32 cm Länge. Das Centrum C

legte einen Bogen von ¾ × 32 cm = 24 cm in 6 Sekunden 2 × 25 = 50mal

zurück, also im ganzen den Weg von 24 × 50 cm = 12 m.

Der Weg des Luftwiderstandes war also 12 m. Die Arbeit des

Luftwiderstandes (G - g)h war (2,5 - 0,5) × 1,8 = 3,6 kgm. Der

Luftwiderstand selbst hatte die Größe 3,6/12 = 0,3 kg.

Wenn man anderseits die Flügel einfach rotieren läßt, wobei ihr Centrum

ebenfalls in 6 Sekunden den Weg von 12 m zurücklegt, so ergiebt sich ein

anderer Luftwiderstand, der auch berechnet werden soll. Dieser

Widerstand ist nach Früherem 1/3 von demjenigen, welcher sich bildet,

wenn die Flächen mit der Geschwindigkeit der Endkanten normal bewegt

werden. Die Flächen sind zusammen 2 × 0,2 × 0,3 = 0,12 qm und nach Abzug

der Armbreiten von A und B 0,11 qm. Die Endkanten haben 4/3 × 2 = 8/3 m

Geschwindigkeit. Der Luftwiderstand beträgt daher

(0,13 × 0,11 × (8/3)^2)/3 = 0,033 kg

gegen 0,3 kg, der durch Schlagbewegungen entsteht. Das Verhältnis ist

0,3/0,033 = 9.

Bei dem letzterwähnten Versuch war die Fläche F geschlossen gedacht, sie

gab daher nach oben denselben Widerstand wie nach unten. Wenn man

Flächen anwendet, welche sich ventilartig beim Aufschlag öffnen, so wird

der Widerstand entsprechend nach oben geringer und der gemessene

Gesamtwiderstand wird sich ungleich auf Hebung und Senkung der Flächen

verteilen. Auch in diesem Fall findet man einen ähnlichen Einfluß der

Schlagwirkung, der bei kleineren Flächen von 1/10 qm den Luftwiderstand

um etwa das 9fache vermehrt.

Wenn hierdurch nachgewiesen wird, wie die Schlagwirkung im allgemeinen

auf den Luftwiderstand einwirkt, so kann man daraus noch nicht ganz

direkt auf den Luftwiderstand der wirklich vom Vogel ausgeführten

Flügelschläge schließen; denn es ist kaum anzunehmen, daß die

Bewegungsphasen, die beim Vogelflügel der Muskel hervorruft, genau so

sind, wie bei den Flügeln am beschriebenen Apparate, wo _die

Schwerkraft_ treibend wirkte. Immerhin aber wird auch dort der Grundzug

der Erscheinung derjenige sein, daß der Flügelschlag in hohem Grade

kraftersparend wirkt, indem er den Luftwiderstand stark vermehrt und

dadurch die Arbeit verringert, weil nur geringere Flügel-Geschwindigkeit

erforderlich ist.

Die Vögel selbst aber geben uns Gelegenheit, zu berechnen, daß der

Nutzen ihrer Flügelschläge in der That noch erheblich größer ist, als

man durch den zuletzt beschriebenen Apparat ermitteln kann.

Auch hierfür soll noch ein Beispiel zur Bestätigung dienen.

Eine Taube von 0,35 kg Gewicht hat eine gesamte Flügelfläche von 0,06 qm

und schlägt in einer Sekunde 6mal mit den Flügeln auf und nieder,

während der Ausschlag des Luftdruckcentrums etwa 25 cm beträgt, wenn die

Taube ohne wesentliche Vorwärtsbewegung bei Windstille fliegt. Da die

Taube zum eigentlichen Heben ungefähr nur die halbe Zeit verwendet, muß

sie beim Niederschlagen der Flügel einen Luftwiderstand gleich ihrem

doppelten Gewicht hervorrufen, also 0,7 kg.

Ein Flügelniederschlag dauert 1/12 Sekunde und beträgt im Centrum 0,25

cm, hat also 12 × 0,25 = 3 m mittlere Geschwindigkeit.

Bei gleichmäßiger Bewegung mit der Geschwindigkeit des Centrums, wobei

jedoch nach Abschnitt 15 nur die halbe Flügelfläche gerechnet werden

darf, gäben die Taubenflügel einen hebenden Luftwiderstand

Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Ein Beitrag zur Systematik der Flugtechnik · 第 21 / 50 题