19. Der Luftwiderstand der ebenen Fläche bei schräger Bewegung.

Sobald ein Vogel vorwärts fliegt, machen seine Flügel keine senkrechten

Bewegungen mehr, sondern die Flügelschläge vereinigen sich mit der

Vorwärtsbewegung und beschreiben schräg liegende Bahnen in der Luft,

wobei die Flügelflächen selbst in schräger Richtung auf die Luft

treffen.

Ein Flügelquerschnitt ab, Fig. 13, welcher durch den einfachen

Niederschlag nach a_1b_1 gelangt, würde durch gleichzeitiges

Vorwärtsfliegen beispielsweise nach a_2b_2 kommen. Selbstverständlich

ändern sich dadurch die Luftwiderstandsverhältnisse, und es ist klar,

daß dies auch nicht ohne Einfluß auf die Flugarbeit bleibt.

Um hierüber ein Urteil zu gewinnen, muß man den Luftwiderstand der

ebenen Fläche bei schräger Bewegung kennen, und da das Vorwärtsfliegen

der eigentliche Zweck des Fliegens ist, so haben die hierbei

auftretenden Luftwiderstandserscheinungen eine erhöhte Wichtigkeit für

die Flugtechnik.

[Illustration: Fig. 13.]

Die technischen Handbücher weisen jedoch über diese Art von

Luftwiderstand solche Formeln auf, welche großenteils aus theoretischen

Betrachtungen hervorgegangen sind, und auf Voraussetzungen basieren,

welche in Wirklichkeit nicht erfüllt werden können.

Wie schon früher angedeutet, war dieser Mangel für die gewöhnlichen

Bedürfnisse der Technik nicht sehr einschneidend; denn es hingen nicht

gerade Möglichkeiten und Unmöglichkeiten von der Richtigkeit der

genannten Formeln ab.

Für die Praxis des Fliegens sind dagegen nur solche Angaben über

Luftwiderstand verwendbar, welche, aus Versuchen sich ergebend, auch den

Unvollkommenheiten Rechnung tragen, welche die Ausführbarkeit wirklicher

Flügel mit sich bringt. Wir können nun einmal keine unendlich dünnen,

unendlich glatten Flügel herstellen, wie die Theorie sie voraussetzt,

ebensowenig wie die Natur dies vermag, und so stellt sich bei

derartigen Versuchen ein beträchtlicher Unterschied in den

Luftwiderstandserscheinungen gegen das theoretisch Entwickelte ein. Dies

gilt namentlich auch für die Richtung des Luftwiderstandes zur bewegten

Fläche. Diese Richtung steht nach der einfach theoretischen Anschauung

senkrecht zur Fläche. In Wirklichkeit jedoch weicht diese Richtung des

Luftwiderstandes besonders bei spitzen Winkeln, auch wenn die Fläche so

dünn und so glatt wie möglich ausgeführt wird, erheblich von der

Normalen ab.

Diese in der Praxis stattfindenden Abweichungen von den Ergebnissen der

theoretischen Überlegung haben schon so manche Hoffnung zu Schanden

werden lassen, welche sich _daran_ knüpfte, daß das _Vorwärtsfliegen_

zur _längst ersehnten Kraftersparnis_ beim Fliegen beitragen könne.

Auch wir haben, auf solche Vorstellungen fußend, eine Anzahl von

Apparaten gebaut, um diese vermeintlichen Vorteile weiter zu verfolgen.

Nachdem wir erkannt zu haben glaubten, daß der hebende Luftwiderstand

durch schnelles Vorwärtsfliegen arbeitslos vermehrt werden, und daher an

Niederschlagsarbeit gespart werden könne, bauten wir in den Jahren

1871-73 eine ganze Reihe von Vorrichtungen, um hierüber vollere Klarheit

zu erhalten.

Die Flügel dieser Apparate wurden teils durch Federkraft, teils durch

Dampfkraft in Bewegung gesetzt. Es gelang uns auch, diese Modelle mit

verschiedenen Vorwärtsgeschwindigkeiten zum freien Fliegen zu bringen;

allein was wir eigentlich feststellen wollten, gelang uns in keinem

Falle. Wir waren nicht imstande, den Nachweis zu führen, daß durch

Vorwärtsfliegen sich Arbeit ersparen läßt, und wenn wir auch durch diese

Versuche um manche Erfahrung bereichert wurden, so mußten wir das

Hauptergebnis doch als ein negatives bezeichnen, indem diese Versuche

_nicht_ eine Verminderung der Flugarbeit durch Vorwärtsfliegen ergaben.

Den Grund hierfür suchten und fanden wir darin, daß wir eben von

falschen Voraussetzungen ausgegangen waren und Luftwiderstände in

Rechnung gezogen hatten, die in Wirklichkeit gar nicht existieren; denn

die genannten ungünstigen Resultate veranlaßten uns, den Luftwiderstand

der ebenen, schräg durch die Luft bewegten Flächen genauer experimentell

zu untersuchen, und wir erhielten dadurch die Aufklärung über dieses die

Erwartungen nicht erfüllende Verhalten des Luftwiderstandes.

Fig. 14 zeigt den hierzu verwendeten Apparat.

Durch Letzteren war es möglich, an rotierenden Flächen nicht nur die

Größe der Widerstände, sondern auch ihre Druckrichtung zu erfahren.

[Illustration: Fig. 14.]

Dieser Apparat trug an drehbarer vertikaler Spindel 2 gegenüberstehende

leichte Arme mit den 2 Versuchsflächen an den Enden. Die Flächen konnten

unter jedem Neigungswinkel eingestellt werden. Die Drehung wurde

hervorgerufen durch 2 Gewichte, deren Schnur von entgegengesetzten

Seiten einer auf der Spindel sitzenden Rolle sich abwickelte. Dieser

zweiseitige Angriff wurde gewählt, um den seitlichen Zug auf die

Spindellager möglichst zu eliminieren. Durch Reduktion der treibenden

Gewichte auf die Luftwiderstandscentren der Flächen, also durch

einfachen Vergleich der Hebelarme ließ sich die horizontale

Luftwiderstandskomponente ermitteln, nachdem selbstverständlich vorher

der von den Armen allein hervorgerufene und ausgeprobte Luftwiderstand

sowie der Leergangsdruck abgezogen war.

Um auch die vertikale Komponente des Luftwiderstandes messen zu können,

war die Spindel mit allen von ihr getragenen Teilen durch einen Hebel

mit Gegengewicht ausbalanciert. Die Spindel ruhte drehbar auf dem freien

Ende dieses Hebels und konnte sich um weniges heben oder senken, um das

Auftreten einer äußeren vertikalen Kraft erkennen zu lassen. Die an den

Versuchsflächen sich zeigende vertikale hebende Widerstandskomponente

wurde dann durch einfache Belastung des Unterstützungspunktes der

Spindel, bis keine Hebung mehr stattfand, ganz direkt gemessen, wie in

der Zeichnung angegeben.

[Illustration: Fig. 16.

Fig. 15.]

Auf diese Weise erhielten wir bei der schräg gestellten und

horizontal bewegten Fläche ab nach Fig. 15 die horizontale

Luftwiderstandskomponente Oe und die vertikale Komponente Of, die dann

zusammengesetzt die Resultante Og ergaben, welche den eigentlichen

Luftwiderstand in Größe und Richtung darstellt.

Denkt man sich das ganze System von Fig. 15 um den Winkel [alpha] nach

links gedreht, so entsteht Fig. 16, in welcher ON, die Normale zur

Fläche, senkrecht steht.

Zerlegt man hier nun den Luftwiderstand Og in eine vertikale und eine

horizontale Komponente, so erhält man für die horizontal ausgebreitete

und schräg abwärts bewegte Fläche die hebende Wirkung des

Luftwiderstandes in der Kraft Oc, während die Kraft Od eine hemmende

Wirkung für die Fortbewegung der Fläche nach horizontaler Richtung

veranlaßt. Aus diesem Grunde kann man Oc die _hebende_ und Od die

_hemmende Komponente_ nennen.

Die Resultate dieser Messungen sind auf Tafel I zusammengestellt, und

zwar giebt Fig. 1 die Luftwiderstände bei konstanter Bewegungsrichtung

und verändertem Neigungswinkel, während Fig. 2 die Widerstände so

gezeichnet enthält, wie dieselben bei einer sich parallel bleibenden

Fläche entstehen, wenn diese nach den verschiedenen Richtungen mit immer

gleicher absoluter Geschwindigkeit bewegt wird.

Wenn eine ebene Fläche ab, Tafel I Fig. 1, in der Pfeilrichtung bewegt

wird, und zwar nicht bloß, wie gezeichnet, sondern unter verschiedenen

Neigungen von [alpha] = 0° bis [alpha] = 90°, aber immer mit der

gleichen Geschwindigkeit, so entstehen die Luftwiderstände c 0°; c 3°; c

6°; c 90°, entsprechend den Neigungswinkeln 0°, 3°, 6°, 90°. Diese

Kraftlinien geben das Verhältnis der Luftwiderstände zu dem normalen

Widerstand c 90° an, welch letzterer nach der Formel L = 0,13 × F × c^2

berechnet werden kann. Die Kraftlinien haben aber auch die ihnen

zukommenden Richtungen in Fig. 1 erhalten. Ihre Endpunkte sind durch

eine Kurve verbunden.

Da aus Fig. 1 nicht verglichen werden kann, wie die Kraftrichtungen zu

den erzeugenden Flächen stehen, so sind in Fig. 2 die Luftdrucke so

eingezeichnet, wie dieselben sich stellen, wenn die horizontale Fläche

ab mit derselben absoluten Geschwindigkeit nach den verschiedenen

Richtungen von 3°, 6°, 9° u. s. w. bewegt wird. Hierbei ist deutlich die

Lage jeder Druckrichtung gegen die Normale der Fläche erkenntlich.

Es zeigt sich, daß die Luftwiderstandskomponenten in der Flächenrichtung

bis zum Winkel von 37° fast gleich groß sind. Diese Komponente stellt

außer dem Einfluß des an der Vorderkante der Fläche stattfindenden

Luftwiderstandes gewissermaßen die Reibung der Luft an der Fläche dar,

und diese Reibung bleibt fast gleich groß, wenn, wie bei spitzen

Winkeln, in Fig. 17, die Luft nach einer Seite abfließt. Bei stumpferen

Winkeln, Fig. 18, wo ein Teil der steiler auf die Fläche treffenden Luft

um die Vorderkante der Fläche herumgeht, wird die Reibung summarisch

dadurch vermindert und schließlich ganz aufgehoben nach Fig. 19 bei

normaler Bewegung; denn dann fließt die Luft nach allen Seiten gleich

stark ab und die algebraische Summe der Reibungen ist Null.

[Illustration: Fig. 17.

Fig. 18.

Fig. 19.]

Die Abhängigkeit des Widerstandes vom Quadrat der Geschwindigkeit wird

durch die Reibung nicht wesentlich beeinflußt.

Zum Vergleich der absoluten Größen des Luftwiderstandes geneigter

Flächen mit dem Luftwiderstand bei normal getroffenen Flächen bediene

man sich der Tafel VII. Hier sind die Widerstände geneigter ebener

Flächen nach Maßgabe der Neigungswinkel bei gleichen absoluten

Geschwindigkeiten und zwar in der unteren einfachen Linie (mit ebene

Fläche bezeichnet) eingetragen, ohne Rücksicht auf ihre Druckrichtung.

Die Abweichung von der jetzt meist als maßgebend angesehenen Sinuslinie

ist besonders bei den kleinen Winkeln auffallend. Nicht viel weniger

auffallend würden sich übrigens auch die normal zur Fläche stehenden

Komponenten verhalten, weil sie nicht viel kleiner sind.

Für die Nutzanwendung kommen natürlich die Abweichungen der

Widerstandsrichtung von der Normalen ganz besonders in Betracht; denn

sie sind es, welche den Vorteil des Vorwärtsfliegens mit ebenen Flügeln

in Bezug auf Kraftersparnis zum größten Teil wieder vernichten.

Es wird nicht gut angehen, den durch schiefen Stoß hervorgerufenen

Luftwiderstand in Formeln zu zwängen, es müßten denn gröbere

Vernachlässigungen geschehen, welche die Genauigkeit empfindlich

beeinträchtigten.

Es bleibt nur übrig, die Diagramme zur Entnahme des Luftdruckes zu

benutzen, weshalb dieselben auch mit möglichster Genauigkeit im größeren

Maßstabe ausgeführt sind.

Die hier vorliegenden Diagramme geben die Mittelwerte der aus vielen

Versuchsreihen gefundenen Zahlen.

Diese Experimente begannen im Jahre 1866 und wurden mit mehreren

größeren Unterbrechungen bis zum Jahre 1889 fortgesetzt. Zur Beurteilung

ihrer Anwendbarkeit sei erwähnt, daß mehrere Apparate, wie beschrieben,

in verschiedenen Größen zur Anwendung gelangten. Der Durchmesser der

Kreisbahnen, welche die Versuchsflächen zurückzulegen hatten, schwankte

zwischen 2 m und 7 m. Die verwendeten Flächen, von denen immer 2

gegenüberstehende gleichartige zur Anwendung gebracht wurden, hatten

0,1-0,5 qm Inhalt. Sie waren hergestellt aus leichten Holzrahmen mit

Papier bespannt, aus dünner fester Pappe, sogenanntem Preßspan, aus

massivem Holz oder aus Messingblech. Der größte Querschnitt betrug

1/50-1/80 der Fläche. Die Kanten wurden stumpf, abgerundet und scharf

zugespitzt hergestellt, was jedoch bei der geringen Dicke der

Versuchskörper wenig Einfluß ausübte.

Die zur Anwendung kommenden Geschwindigkeiten betrugen 1 bis 12 m pro

Sekunde.

Das Wachsen des Luftwiderstandes mit dem Quadrat der Geschwindigkeit

bestätigte sich bei allen diesen Versuchen.

Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Ein Beitrag zur Systematik der Flugtechnik · 第 27 / 50 题