24. Die Vorzüge des gewölbten Flügels gegen die ebene Flugfläche.

Um einen Vergleich anstellen zu können zwischen dem Luftwiderstand der

ebenen und gewölbten Fläche, sind in Fig. 26 und Fig. 27 zwei gleich

große Flächen ab und cd im Querschnitt dargestellt, welche auch unter

gleichen Neigungen, etwa von 15°, zum Horizont gelagert sind,

vorausgesetzt, daß man bei der gewölbten Fläche die Verbindungslinie der

Vorder- und Hinterkante, also die gerade Linie cd als Richtung ansieht.

[Illustration: Fig. 26.

Fig. 27.]

Wenn diese Flächen nun an einem Rotationsapparat, Fig. 14, horizontal

mit gleicher Geschwindigkeit durch ruhende Luft bewegt und gesondert auf

ihren Widerstand untersucht werden, so erhält man die horizontalen

Luftwiderstandskomponenten oe und pf und die vertikalen Komponenten og

und ph, welche in richtigen Verhältnissen, wie sie sich aus den

Versuchen ergaben, in den Figuren eingetragen sind.

Diese Komponenten geben nun durch Bildung der Resultanten die absolute

Größe und Richtung der Luftwiderstände oi bei der ebenen und pk bei der

gewölbten Fläche.

Um deutlich zu erkennen, von welcher Tragweite dieser verschiedene

Ausfall des Luftwiderstandes für die Fliegearbeit ist, denke man sich

beide Flächen horizontal gelagert und dafür die Geschwindigkeitsrichtung

um denselben Winkel von 15° abwärts geneigt. Es entstehen dann Fig. 28

und Fig. 29, und bei denselben absoluten Geschwindigkeiten müssen auch

dieselben Luftwiderstände gegen die Flächen sich bilden, und zwar wieder

oi und pk, die auch gegen die Flächen noch dieselben Richtungen haben

wie früher.

[Illustration: Fig. 28.

Fig. 29.]

Werden die Flächen ab und cd in dieser Lage mit den gleichen

Geschwindigkeiten v als Flugflächen verwendet, so fällt zunächst auf,

daß die gewölbte Fläche bei derselben Geschwindigkeit eine größere

Hebewirkung ausübt, sie könnte also langsamer bewegt werden wie die

ebene Fläche, um denselben Hebedruck zu erzielen als letztere, und es

würde hierdurch direkt an Arbeit gespart.

Was aber noch wichtiger zu sein scheint, ist die bei der gewölbten

Fläche auftretende vorteilhaftere Richtung des Luftwiderstandes.

Die hemmende Komponente ol bei der ebenen Fläche zeigt sich bei der

gewölbten Fläche _nicht_, sondern es tritt dafür eine _treibende_

Komponente pm auf. Das Vorhandensein der hemmenden Komponente ol bei der

ebenen Fläche war aber das eigentliche Hindernis für die Erzielung von

Kraftersparnis durch Vorwärtsfliegen. Dieses Hindernis aber besitzt die

schwach gewölbte Fläche nicht, und aus diesem Grunde treten bei ihr alle

jene Vorteile auf, welche bei der ebenen Fläche fälschlich gemutmaßt und

vergeblich zu erreichen gesucht wurden.

Es ist nach Einsichtnahme dieser Luftwiderstandsverhältnisse auf den

ersten Blick zu erkennen, daß die gewölbten Flügelformen wohl geeignet

sind, durch Vorwärtsfliegen ganz bedeutend an Fliegearbeit zu sparen.

Bevor jedoch näher auf die Größe dieser Arbeitsersparnis eingegangen

wird, soll eine theoretische Betrachtung über die Entstehung dieser für

die Flugtechnik sowohl als für die gesamte fliegende Tierwelt gleich

wichtigen Eigenschaften des Luftwiderstandes vorausgeschickt werden.

25. Unterschied in den Luftwiderstandserscheinungen der ebenen

und gewölbten Flächen.

Durch das Experiment läßt sich die Überlegenheit der hohlen Flügelform

gegen ebene Flügel mit Rücksicht auf ihre Verwendbarkeit beim Fliegen

ziffermäßig ermitteln. Es ist aber nötig, daß wir uns das Wesen dieser

Erscheinung bei der Wichtigkeit derselben in allen Fragen der

Flugtechnik möglichst klar vor Augen führen.

Denken wir uns zu diesem Zweck in Fig. 30 zwei gleich große Flächen, von

denen die obere einen ebenen, die untere einen schwach gewölbten

Querschnitt hat, durch einen gleichmäßigen horizontalen Luftstrom

getroffen. Ob die Flächen in ruhender Luft bewegt werden, oder die Luft

mit derselben Geschwindigkeit die ruhenden Flächen trifft, ist im Grunde

genommen mit denselben Luftwiderstandswirkungen verknüpft. Es ist die

Luft hier als bewegt gedacht, um die Wege der Luftteilchen besser

andeuten zu können, und ein deutlicheres Bild von dem Vorgang in der

Luft zu erhalten.

Die beiden Flächen sind gleich groß und haben dieselbe Neigung, indem

bei der gewölbten Fläche wieder die Sehne des Querschnittbogens als

maßgebend für die Richtung angesehen werden soll.

[Illustration: Fig. 30.]

Daß der Vorgang in der Luft hier in beiden Fällen ein verschiedener sein

muß, und daraus auch ein verschieden gearteter Luftwiderstand sich

ergeben muß, ist von vornherein einleuchtend, selbst wenn die Wölbung

der einen Fläche nur eine sehr schwache ist.

Die hier vorgeführte Darstellung mag nun wohl der Wirklichkeit bei

derartigen unsichtbaren Vorgängen in der Luft nicht genau entsprechen,

es genügt aber, wenn die charakteristischen Unterschiede so weit

zutreffen, als es für die Anknüpfung der nötigen Überlegungen

erforderlich ist.

Die an den Flächen vorbeistreichende Luft erhält in beiden Fällen eine

nach unten gerichtete Beschleunigung; denn die unter die Flächen

treffende Luft muß unter den Flächen hindurch und die über den Flächen

vorbeistreichende Luft muß unbedingt den geneigten Raum oberhalb der

Flächen ausfüllen. In der Art, wie dieses aber vor sich geht, sind die

Vorgänge in der Luft bei beiden Flächen verschieden.

Die Ablenkung des Luftstromes nach unten geschieht bei der ebenen Fläche

zumeist an der Vorderkante, und zwar plötzlich. Hierbei tritt eine

Stoßwirkung auf, welche wiederum zur Bildung von Wirbeln Veranlassung

giebt.

Nach den allgemeinen Grundsätzen der Mechanik läßt sich hieraus allein

schon auf eine Verminderung des beabsichtigten Effektes schließen; denn

wenn unbeabsichtigte Nebenwirkungen entstehen, so geht an der

Hauptwirkung verloren. Die beabsichtigte Hauptwirkung ist aber ein

möglichst großer, möglichst senkrecht nach oben gerichteter Gegendruck

auf die Fläche, und dies kann nur dadurch erreicht werden, daß durch die

Fläche der auf sie treffenden Luft eine möglichst vollkommene, möglichst

nach unten gerichtete Beschleunigung erteilt wird. Die entstandenen

Wirbel haben aber kreisende Bewegungen und daher Beschleunigungen nach

allen Richtungen erhalten, von denen nur ein geringer Teil zur

Hebewirkung verwandt wurde, während der Rest als für die Hebewirkung

verloren anzusehen ist.

Wie die Figur es andeutet, wird der Luftstrom, welcher die ebene Fläche

traf, durch diese Fläche in Unordnung kommen. Auch hinter der Fläche

werden noch Wirbel und unregelmäßige Bewegungen in der Luft sein, die

erst nach und nach durch Reibung aneinander ihre ihnen innewohnende

nicht horizontal gerichtete lebendige Kraft verzehren oder, anders

ausgedrückt, in Reibungswärme verwandeln.

Die ebene Fläche wird in höherem Grade nur mit ihrer Vorderkante eine

nach unten gerichtete Beschleunigung auf die Luft ausüben können, und

die Luftteile werden nach der Berührung mit der Vorderkante im

wesentlichen schon die Wege einschlagen, welche ihnen durch die Richtung

der Fläche im Ferneren vorgeschrieben sind. Es drückt sich dies auch

dadurch aus, daß die Mittelkraft des Luftwiderstandes bei einer solchen

schräg getroffenen ebenen Fläche nicht in der Mitte, sondern mehr nach

der Vorderkante zu angreift, die Verteilung des Luftdruckes also

ungleichmäßig ist, und zwar eine größere nach der Vorderkante zu.

Ein großer Teil der ebenen Fläche wird also mit wenig Nutzen die Luft an

sich vorbeistreichen lassen, während der vordere Teil der Fläche in

Rücksicht des nicht zu vermeidenden Stoßes nur unvorteilhaft wirken

kann.

Ganz andere Erscheinungen treten nun aber bei der _gewölbten_ Fläche

auf. Der auf diese Fläche treffende Luftstrom wird ganz allmählich aus

seiner horizontalen Richtung abgelenkt und nach unten geführt. Derselbe

erhält nach und nach, und zwar möglichst ohne Stoß eine nach unten

gerichtete Geschwindigkeit.

Man sieht ohne weiteres, daß nur die schwach und glatt gewölbte Fläche,

besonders wenn die Tangente zur Vorderkante genau in die Windrichtung

steht, die an ihr vorbeistreichende Luft möglichst ohne Wirbel mit einer

Geschwindigkeit nach unten entlassen wird, und zwar in einer Richtung,

welche gewissermaßen der nach unten gerichteten Tangente des letzten

Flächenstückes entspricht. Schon diese Tangentenrichtung tritt für die

Vorteile der gewölbten Fläche ein.

Eine gleichmäßige Beschleunigung nach unten würde der Luft theoretisch

durch eine parabolisch gewölbte Fläche erteilt werden. Dergleichen

schwache Parabelbögen und Kreisbögen sind einander zwar sehr ähnlich,

jedoch läßt sich die Parabelform des Vogelflügel-Querschnittes noch

nachweisen.

Der nach unten gerichtete Bestandteil der lebendigen Kraft der

Luftteilchen nach Verlassen der Fläche ist maßgebend für den nach oben

gerichteten auf die Fläche ausgeübten Druck. Die Luft verläßt aber die

gewölbte Fläche in möglichst geordneter Masse, und wird vermöge der ihr

erteilten größeren nach unten gerichteten lebendigen Kraft noch viel

weiter nach unten gehen; also eine vertikale Luftbewegung wird

eintreten, welche beträchtlich mehr ausgedehnt ist, als die Projektion

der Fläche nach der Windrichtung.

Hierin werden sich die beiden Flächen hauptsächlich unterscheiden.

Hieraus resultiert aber auch der gewichtige Unterschied für den

erzeugten Luftwiderstand.

Während nun die ebene Fläche viele Wirbelbewegungen veranlaßt mit

geringeren vertikalen Bewegungsbestandteilen, wird die entsprechend

gewölbte Fläche eine vertikal-oscillatorische Wellenbewegung in der Luft

hervorrufen mit möglichst großer vertikaler Bewegungskomponente.

_Mit der Vollkommenheit dieser Wellenbewegung wird die Hebewirkung in

direktem Verhältnis stehen, und je reiner diese Wellenbewegung an

vertikalen Schwingungen ist, desto vollkommener wird die reine

Hebewirkung auf die wellenerzeugende gekrümmte Fläche sein, indem der

größten Aktion auch die größte Reaktion entspricht._

Unser Streben muß demnach darauf gerichtet sein, alle Stoßwirkungen und

Wirbelbildungen beim Vorwärtsfliegen nach Möglichkeit zu vermeiden; dies

aber zu erreichen, ist _die ebene Flügelform durchaus ungeeignet_. Es

läßt sich vielmehr ganz allgemein folgern, daß man mit der Luft, die

beim Fliegen vorteilhaft tragen soll, meistens zu roh umgegangen ist.

Die Luft, welche uns bei geringstem Aufwand von mechanischer Arbeit

tragen soll, darf _nicht durch ebene Flächen zerrissen, geknickt und

gebrochen_, dieselbe muß vielmehr _durch richtig gewölbte Flächen

gebogen_ und _sanft_ aus ihren Lagen und Richtungen abgelenkt werden.

Der Wind, welcher unter unseren Flügeln hinstreicht, darf nicht auf

ebene Flächen stoßen, sondern muß Flächen vorfinden, denen er sich

anschmiegen kann, und an diese Flächen wird er dann, wenn auch

allmählich, so doch möglichst vollkommen seine lebendige Kraft zur

Tragewirkung bei möglichst geringer zurücktreibender Wirkung abgeben.

Ist diese Ansicht die richtige, daß in der Vermeidung von

Wirbelbewegungen dasjenige Princip verborgen liegt, welches uns

vielleicht einmal in den Stand setzt, die Luft wirklich zu durchfliegen,

so kann man fast mit geschlossenen Augen den Geheimnissen des

Luftwiderstandes nachspüren; denn schon unser Ohr verrät uns, ob wir es

mit reineren Wellenbewegungen oder mit vielen kraftverzehrenden

Nebenwirbeln zu thun haben. In dieser Überzeugung aber werden wir den,

auch bei großen Geschwindigkeiten noch geräuschlos durch die Luft

geführten, hebenden Flächen den Vorzug geben gegenüber denjenigen

Flächen, die sich nicht ohne stärkeres Rauschen mit derselben

Geschwindigkeit durch die Luft führen lassen. Auch nach dieser Analyse,

bei welcher das Ohr den Ausschlag giebt, trägt die Form des gewölbten

Vogelflügels den Sieg davon.

Aber noch von anderen Gesichtspunkten aus unterscheiden sich ebene und

gewölbte Flächen. Durch die gewölbte Fläche wird die an ihr

vorbeistreichende Luft, wenn auch nicht ganz so glatt, wie in Figur 30,

so doch immerhin bogenförmig aus ihrer Bahn gelenkt. Die vorher

geradlinige Bewegung des Luftstromes wird annähernd kreisbogenförmig

werden, und zwar sowohl unterhalb als oberhalb von der Fläche. Diese

krummlinige Bewegung der Luftteilchen entspricht aber einer ganz

bestimmten Centrifugalkraft, mit welcher diejenigen Teile der Luft,

welche unter der Fläche hindurchgehen, von unten auf die Fläche drücken,

während diejenigen, welche über die Fläche hinweggleiten, sich von der

Fläche zu entfernen streben und eine ebenfalls nach oben gerichtete

Saugewirkung hervorrufen. Die Centrifugalkraft der an der gekrümmten

Fläche vorbeitreibenden Luft wirkt also beiderseits hebend auf die

Fläche, und wenn man den wirklich gemessenen Luftwiderstand als durch

reine Centrifugalkraft entstanden annimmt, so ergiebt sich

rechnungsmäßig ein Resultat, das mit unserer Vorstellung im Einklange

steht. Worin aber eine derartige centrifugale Wirkung vollkommen mit den

Luftwiderstandsgesetzen übereinstimmt, das ist die Zunahme mit dem

Quadrat der Geschwindigkeit.

Eine derartige Anschauungsweise fällt nun aber bei der

Luftwiderstandswirkung der ebenen Fläche vollständig fort, und hierin

dürfen wir ebenfalls eine Erklärung für den großen Kontrast in den

Widerständen beider Flächen erblicken.

[Illustration: Fig. 31.]

Wir hatten nun zweierlei Unterschiede in den Wirkungen der gewölbten

gegenüber der ebenen Fläche gefunden, einmal die Vergrößerung des

hebenden Luftdruckes und andererseits die mehr nach vorn gerichtete

Neigung dieses Druckes bei der gewölbten Fläche. Aus letzterem kann man

schließen, daß auf der vorderen Hälfte der Wölbung auch ebenso wie bei

der ebenen Fläche der Druck an sich etwas größer ist als auf der

hinteren Hälfte, die Druckverteilung also mehr jene Flächenelemente

begünstigt, deren Normalen mehr der Luftbewegung entgegen gewendet sind.

Man hat sich also vorzustellen, daß die Druckverteilung im Querschnitte

etwa aussieht wie Fig. 31. Aus solcher Druckverteilung würden dann auch

Mittelkräfte hervorgehen können, die, wenigstens für gewisse günstigste

Fälle, statt der hemmenden Komponente eine treibende Komponente

erhalten.

Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Ein Beitrag zur Systematik der Flugtechnik · 第 32 / 50 题