26. Der Einfluß der Flügelkontur.

Die im vorigen Abschnitt erwähnte Analyse des Luftwiderstandes mittelst

des Gehörs läßt sich auch auf die Einwirkung der Umfassungslinie der zu

untersuchenden Flächen auf den Widerstand anwenden, und gab thatsächlich

für uns den ersten Anlaß, unser Augenmerk hierauf zu richten.

Zunächst sieht man ein, daß es nicht gleichgültig ist, ob man eine

schräg gestellte oblonge Fläche der Länge nach oder der Quere nach durch

die Luft führt.

Wenn auch in Fig. 32 die beiden in der Ansicht von oben gezeichneten

ebenen Flächen A und B gleiche Größe, gleiche Neigung und gleiche

Geschwindigkeit haben, so ist doch ein Unterschied im Luftwiderstand

vorhanden, der auf stärkere Wirbelbildung bei A deutet und die Fläche A

wird stärker rauschen wie B.

[Illustration: Fig. 32.]

Mit der im vorigen Abschnitt entwickelten Wellentheorie steht diese

Erscheinung im vollkommenen Einklang. Die Fläche B wird, wenn sie auch

eben ist, immer noch eine unvollkommene Luftwelle erzeugen und zwar eine

Welle von einer gewissen Breite. An den kürzeren Seitenkanten der Fläche

B werden beim Durchschneiden der Luft ebenfalls sich Wirbel bilden, die

auch noch Verluste geben und Geräusch verursachen; es wird überhaupt ein

Teil der Luft nach den Seiten ungenützt abfließen. Der hierdurch wegen

der Kürze der Seitenkanten bei B entstandene _geringe_ Nachteil wird bei

der Fläche A aber überwiegend _größer_ sein, weil hier die Seitenkanten

den größeren Teil des ganzen Umfanges ausmachen. Die Luft, welche unter

die kurze Vorderkante der Fläche A tritt, wird überhaupt gar nicht unter

der Hinterkante hindurchgehen, sondern schon seitlich einen Weg sich

suchen und die Fläche verlassen. Von einer Wellenbildung im günstigen

Sinne wird daher bei der Fläche A noch weniger die Rede sein können als

bei B, die Fläche A wird also mehr Luftwirbel hervorrufen und daher ein

stärkeres Geräusch verursachen als B.

Während nun bei der Bewegung einer ebenen Fläche senkrecht gegen die

Luft nur der Flächeninhalt für die Größe des Luftwiderstandes maßgebend

war, ohne Rücksicht auf die Form der Fläche, zeigt sich, daß bei

schrägen Bewegungen von ebenen Flächen die Umfangsform nicht ohne

starken Einfluß auf den entstehenden Luftwiderstand ist.

Es fragt sich jetzt, in welcher Weise eine möglichst vollkommene

Wellenbewegung ohne Wirbel bei der Bewegung einer _gewölbten_ Fläche

gedacht und gemacht werden kann; denn auch hier wird die Welle eine

gewisse Breite, je nach der Ausdehnung der gewölbten Fläche, besitzen.

[Illustration: Fig. 33.

Fig. 34.]

Ist eine solche Fläche, die im übrigen allen Anforderungen für gute

Luftwiderstandsleistungen entsprechen mag, an den Seiten stumpf

abgeschnitten, wie Fig. 33 zeigt, so müssen auch hier an den Seiten

Wirbel sich bilden; denn die entstandene Welle kann nicht scharf an

ruhende oder geradlinig sich fortbewegende Luft grenzen.

Um dies zu vermeiden, müssen wir dafür sorgen, daß die Wellenbewegung

nach den Seiten zu _allmählich_ abnimmt und _kein_ plötzliches Ende

findet. Dieses läßt sich aber dadurch erreichen, daß die Fläche seitlich

in Spitzen ausläuft, wodurch die Welle seitlich nach und nach schwächer

wird, bis sie schließlich ganz aufhört. Die Kontur der Fläche muß

beiderseits also zugespitzt sein wie Fig. 34.

[Illustration: Fig. 35.]

Die Natur belehrt uns ebenfalls, daß die gefundenen Verhältnisse wohl am

Ende die richtigen sind; denn außer der hohlen Form, welche sich bei

allen Vogelflügeln findet, zeigt sich auch das Auslaufen der Flügel in

Spitzen. Vogelflügel aber, welche nicht in einer Spitze endigen, lösen

sich mit Hülfe der Schwungfedern in mehrere Spitzen auf, als Andeutung

dafür, daß hier die tragende Luftwelle in mehrere kleinere Wellen

aufgelöst ist, was ja ebenfalls zu einem allmählichen seitlichen

Übergang der Hauptwelle in die umgebende Luft führen kann.

Daß aber endlich der Aufriß solcher Flugflächen unter Innehaltung dieser

Merkmale dennoch verschieden sein kann, lehren die Typen von Flugflächen

in Fig. 35. Man sieht die Schwungfedergliederung beim Storch und

Gabelweih, während die übrigen Vögel, die Taube, die Möwe und die

Schwalbe, wie auch die Fledermaus geschlossene Flügelflächen zeigen.

27. Über die Messung des Luftwiderstandes der vogelflügelartigen

Flächen.

Aus der Gesamtheit der vorstehenden Entwickelungen geht hervor, daß,

wenn die Luftwiderstandsgesetze im allgemeinen als die Fundamente

der Flugtechnik bezeichnet werden können, die Kenntnis der

Widerstandsgesetze gewölbter vogelflügelartiger Flächen im besonderen

die Grundlage für jede weitere wirkungsvolle Bethätigung auf dem Gebiete

des aktiven Fliegens bilden muß.

Ebenso undankbar wie bei der ebenen Fläche dürfte es sein, die

Widerstände bei gewölbten Flächen rein theoretisch zu berechnen.

Allerdings lassen sich eine ganze Reihe interessanter theoretischer

Betrachtungen und Berechnungen über diese Widerstände anstellen; auch

kann man die dynamische Wirkung der durch gewölbte Flächen allmählich

aus ihrer Lage oder Bahn gelenkten Luft sogar richtiger theoretisch

beurteilen, als dies bei der ebenen Fläche unter schräger Bewegung der

Fall ist, doch findet der Vorgang offenbar nicht ganz so einfach statt,

als wie er in Fig. 30 dargestellt wurde. Die dort zur Anschauung

gebrachte Vorstellung sollte auch nicht zur Berechnung des

Luftwiderstandes dienen, sondern nur gewisse charakteristische

Unterschiede zwischen den Wirkungen der ebenen und gewölbten Fläche

möglichst in die Augen fallend kennzeichnen.

Um den Luftwiderstand, den die gewölbte Flugfläche unter den

verschiedenen Neigungen ergiebt, wirklich kennen zu lernen, sind wir

lediglich auf den Versuch angewiesen. Nur durch wirkliche Kraftmessungen

können wir brauchbare Zahlenwerte erhalten, die zur Aufklärung der

Vorgänge beim Vogelfluge beitragen und der Flugtechnik von Nutzen sind.

Es giebt nun zwei Wege, diese Zahlenwerte zu beschaffen. Einmal kann die

Fläche in ruhender Luft bewegt werden, das andere Mal kann die ruhende

Fläche durch Wind getroffen werden.

Für den ersten Fall ist man auf eine kreisförmige Bewegung der Fläche

angewiesen und muß sich eines Rotationsapparates wie Fig. 14 bedienen.

Geradlinige Flächenbewegungen würden Mechanismen erfordern, die größere

Nebenwiderstände besitzen, also stärkere Fehlerquellen aufweisen. Der

Rotationsapparat besitzt, wenn richtig angeordnet, verhältnismäßig

geringe anderweitige Widerstände. Diese Methode schließt dadurch aber

zwei andere Übelstände in sich. Erstens ist die Bewegung keine

geradlinige und zweitens kommt nach einer halben Umdrehung die

Versuchsfläche schon in die Region der aufgerührten, also nicht mehr in

Ruhe befindlichen Luft, wodurch Fehlerquellen entstehen. Beide Nachteile

nehmen ab mit dem Durchmesser des durchlaufenen Kreises, es wird also

vorteilhaft sein, solche Rotationsapparate recht groß auszuführen.

Der zweite Fall, in welchem durch Wind an der stillgehaltenen Fläche der

Luftwiderstand entsteht, hat den Vorteil der geradlinigen Luftbewegung,

aber der Wind schwankt in der Stärke fast in jeder Sekunde und nur

mühsam lassen sich die Augenblicke erhaschen, wo durch einen Windmesser

die richtige auch auf die Versuchsfläche wirkende Windgeschwindigkeit

angegeben wird. Hier bleibt nur übrig, durch recht zahlreiche Versuche

sich gute Mittelwerte zu verschaffen.

Von uns sind nun beide Methoden der Messung wiederholt zur Anwendung

gebracht, weil es uns von Wichtigkeit zu sein schien, gerade die

Widerstände der gewölbten Flächen möglichst genau kennen zu lernen und

mit der einen Methode die andere Versuchsart zu kontrollieren, indem uns

nicht bekannt war, daß von anderer Seite ähnliche Versuche vorlagen, die

einen Vergleich gestatteten.

Um annähernd die Wölbung zu bestimmen, welche ein Vogelflügel hat, wenn

der Vogel mit den Flügeln auf der Luft ruht, giebt es ein einfaches

Verfahren.

Ein toter sowie ein nicht in Thätigkeit befindlicher lebender

Vogelflügel werden gewölbter erscheinen, als sie beim Fluge sind; denn

die im ungespannten Zustande stärker nach unten gekrümmten Federn biegen

sich durch den von unten auf dieselben drückenden Luftwiderstand etwas

gerader, wenn der Flügel in Benutzung ist.

[Illustration: Fig. 36.]

Diese Biegung der Federn kann man nun auch dadurch entstehen lassen, daß

man einen frischen Vogelflügel in umgekehrter Lage nach Fig. 36 mit

seinen Armteilen befestigt und mit Sand, der so viel wiegt, als die

reichliche Hälfte des Vogelgewichtes beträgt, auf der hohlen Seite

belastet. Der Flügel wird dann annähernd die Wölbung annehmen, die er

beim Fluge in der Zeit des Niederschlages oder beim Segeln hat. Die

punktierte Lage in Fig. 36 giebt die Flügelwölbung vor der Belastung.

[Illustration: Fig. 37.]

Bei gut fliegenden Vögeln findet man nur eine schwache Wölbung des

Flügelquerschnittes, deren Pfeilhöhe h in Fig. 37 1/12-1/15 der

Flügelbreite AB ausmacht. Schlechtfliegende Vögel, wie alle Laufvögel,

haben sehr stark gewölbte, die gut und schnell fliegenden Seevögel

dagegen sehr schwach gewölbte Flügel.

28. Luftwiderstand des Vogelflügels, gemessen an rotierenden

Flächen.

Es sollen nun die Versuchsresultate angegeben werden, welche man erhält,

wenn man vogelflügelförmige Körper am Rotationsapparat auf ihren

Luftwiderstand untersucht; und zwar beziehen sich die hier angegebenen

Werte auf die Verwendung eines großen Rotationsapparates, dessen

Kreisbahn 7 m Durchmesser hatte, und bei welchem die Versuchsflächen 4½

m über dem Erdboden schwebten. Die Aufstellung dieses Apparates war im

Freien gemacht und die Versuche wurden nur bei vollkommener Windstille

ausgeführt. Gebäude und Bäume standen nicht in solcher Nähe der von den

Flächen beschriebenen Kreisbahn, daß ein störender Einfluß befürchtet

werden mußte. Trotzdem war die Lage eine geschützte durch die in einiger

Entfernung den Versuchsplatz umgebenden dichten und hohen Bäume, so daß

an vielen Sommerabenden sich Gelegenheit zu Versuchen bot.

[Illustration: Fig. 38.]

Die Fläche der beiden Versuchskörper betrug in allen Fällen je ½ qm. Der

gefundene Gesamtwiderstand bezog sich also auf eine Fläche von 1 qm. Als

Außenkontur wurde die längliche beiderseits zugespitzte Form angewandt,

nach Fig. 38, bei einer Breite von 0,4 m und einer Länge von 1,8 m.

Die Herstellung der Versuchskörper oder Versuchsflächen, sowie die

Formgebung ihres Querschnittes war in verschiedener Weise erfolgt.

[Illustration: Fig. 39.

Fig. 40.

Fig. 41.

Fig. 42.

Fig. 43.]

Auf den ersten Blick scheint es, als wenn der Ausfall des

Luftwiderstandes hervorragend günstig sein müßte, wenn die Fläche so

dünn wie möglich genommen wird. Aus diesem Grunde machten wir daher auch

Versuchsflächen aus dünnem Blech. Die Festigkeit derartiger selbst

stärker gewölbter Flächen von ½ mm starkem, hart gehämmertem

Messingblech ist aber nicht ausreichend zu den in Rede stehenden

Versuchen; vielmehr mußten wir den Flächenumfang mit 4 mm starkem

Stahldraht einfassen, um die erforderliche Stabilität zu erzielen. Es

ergiebt sich dann ein Querschnitt nach Fig. 39 in 1/5 Maßstab.

Diese Querschnittform hatte aber nicht ganz so günstige Verhältnisse für

den Luftwiderstand als die folgenden; denn der Vorteil, den die geringe

Dicke des Bleches bieten mag, wird aufgewogen durch den störenden

Einfluß der verstärkten Ränder.

Fast gleich gute Resultate ergaben die Querschnitte Fig. 40-43. Ob die

Fläche in ihrer ganzen Ausdehnung gleichmäßig dünn war, etwa 6 mm stark,

wie in Fig. 40, oder ob in der Mitte, wie in Fig. 41, eine größere

Verdickung sich befand, oder ob diese Verdickung mehr nach vorn zu lag,

wie in Fig. 42, das verursachte keinen meßbaren Unterschied. Bei einer

Breite von 400 mm konnten diese allmählichen Verdickungen bis zu 16 mm,

also bis 1/25 der Flächenbreite betragen, ohne schädlichen Einfluß für

den entstandenen Luftwiderstand. Wider Erwarten zeigte sich aber auch

dann noch kein Nachteil, wenn diese Flügelverdickung abgerundet an der

Vorderkante lag, wie bei Fig. 43. Es hatte sogar den Anschein, als ob

diese Form besonders günstige Luftwiderstandsverhältnisse besitze, also

viel hebenden und wenig hemmenden Widerstand gäbe, vorzüglich bei

Bewegung unter ganz spitzen Winkeln, jedoch nur, wenn die Vorderkante

und nicht die Hinterkante die Verdickung trug.

Im allgemeinen war der Unterschied in dem Verhalten der Flächen mit den

Querschnitten 39-43 kein großer und die angegebenen Resultate beziehen

sich gleichzeitig auf alle diese Flügelformen.

Die Versuchskörper mit den Querschnitten, Fig. 40-43, wurden von uns aus

Elsenholz hergestellt. Die ganz schwachen Wölbungen erzielten wir durch

einseitiges Bekleben dünner Bretter mit Papier, wodurch die Flächen hohl

gezogen wurden. Stärker gewölbte Formen wurden aus massivem Holz

ausgearbeitet. Mit der abnehmenden Breite der Fläche änderte sich der

Querschnitt so, daß immer eine ähnliche Form in proportionaler

Verkleinerung blieb.

Die Form, Fig. 43, wurde von uns auch dadurch hergestellt, daß an der

Vorderkante eine stärkere nach beiden Seiten spitz auslaufende

Weidenrute eingelegt war, an welche sich gekrümmte Querrippen ansetzten,

die dann beiderseits mit geöltem Papier bespannt wurden, und sowohl oben

wie unten glatte Flächen bildeten.

Diese letzte Querschnittform, Fig. 43, hat auch der Vogelflügel an

seinem Armteil, wo an der Vorderkante durch die Knochen eine stärkere

Verdickung vorhanden ist. Wie der Versuch es ergab, stört diese

Verdickung in keiner Weise den Flugeffekt, wenn nur nach der

Flügelspitze die Verdickung auch verschwindet.

Die verschiedenartige Ausführung unserer Versuchskörper überzeugte uns,

daß die Metalle überhaupt zum Flügelbau nicht zu gebrauchen sind, und

daß die Zukunftsflügel wahrscheinlich aus Weidenruten mit leichter

Stoffbespannung bestehen werden. Auch Bambusrohr paßt sich den

Flügelformen nicht so leicht an, wie das konisch gewachsene Weidenholz,

das dennoch in gewissem Grade ohne Nachteil bearbeitet werden kann, sich

im feuchten Zustande beliebig biegen läßt und bei außerordentlicher

Leichtigkeit sehr zähe ist.

Weidenholz bricht erst bei einer Beanspruchung von 8 kg pro

Quadratmillimeter, kann aber mit guter Sicherheit dauernd mit 2-3 kg

beansprucht werden. Es ist dabei das leichteste aller Hölzer mit dem

specifischen Gewicht 0,33. Das Aluminium ist 8mal so schwer, aber kaum

4mal so stark.

Gegenüber dem Einwand, daß Aluminium in Form konischer Röhren verwendet

werden könne und dadurch besonders leichte Konstruktionen gäbe, läßt

sich anführen, daß Weidenruten sich auch leicht hohl ausbohren lassen,

weil der Bohrer mit einer geeigneten stumpfen Centrierspitze sich in dem

Mark genau in der Mitte führt. Durch Bohrer von verschiedener Stärke

kann man dann der äußeren konischen Form entsprechend die Höhlung

ebenfalls nach der Spitze verjüngt ausführen.

Die im vorstehenden beschriebenen Versuchsflächen wurden nun mit

verschieden gekrümmten Querschnitten ausgeführt und auf ihren

Luftwiderstand erprobt. Als Tiefe der Höhlung oder Stärke der Wölbung

galt die Tiefe des Hohlraumes unter der Fläche, und als Größe der Fläche

die Größe ihrer Projektion.

Wie bei den Versuchen mit der ebenen Fläche beschrieben, ließ sich am

Rotationsapparat der Luftwiderstand zunächst in Form von zwei

Komponenten messen und darauf in Größe und Richtung ermitteln.

Für eine schwache Wölbung von 1/40 der Breite, also bei einer größten

Pfeilhöhe der Höhlung von 1 cm, gilt nun das Diagramm Tafel II.

Fig. 1 Tafel II giebt die Luftwiderstände in Größe und Richtung, welche

entstehen, wenn die Fläche mit dem Querschnitt ab unter verschiedenen

Neigungen nach der Pfeilrichtung bewegt wird.

Der größte Luftwiderstand entsteht, wenn die Fläche die Lage fg, also

die Neigung 90° hat. Dieser Luftwiderstand sei von c aus nach rechts

angetragen in der Linie c 90°.

Wenn nun z. B. die Fläche die Lage de und Neigung 20° hat, so entsteht

bei derselben absoluten Geschwindigkeit der Luftwiderstand in Größe und

Richtung von c 20°.

Es sind c 3°; c 6°; c 9° u. s. w. die Luftwiderstände für die

Flächenneigungen 3°; 6°; 9° u. s. w.

Auch in der Lage ab für den Winkel Null erhält man noch einen hebenden

Luftwiderstand c 0.

Auf den Luftwiderstand c 90° haben schwache Wölbungen keinen Einfluß,

wie das Experiment bewiesen hat; derselbe ist daher bekannt und

jederzeit nach der Formel: L = 0,13 × F × v^2 zu berechnen.

Das Verhältnis der Luftwiderstände bei gleicher Geschwindigkeit, aber

verschiedener Neigung zu diesem normalen Luftwiderstand wird durch das

Diagramm auf Tafel VII angegeben und kann dort direkt abgelesen werden

an der tiefsten klein punktierten Linie. Die Richtung der

Luftwiderstände aber ergiebt sich aus Tafel II.

Für eine ganz schwach gewölbte Fläche, welche nur um 1/40 ihrer Breite

hohl ist, kann man hiernach den Luftwiderstand bei jeder Neigung von

0°-90° in Größe und Richtung bestimmen.

Wenn die Fläche stärker gewölbt ist, so daß die Höhlung 1/25 der Breite

beträgt, so erhält man analog die Fig. 1 auf Tafel III und auf Tafel VII

die zweite klein-punktierte Linie.

Der Widerstand c 90° ist wieder gleich demselben c 90° auf Tafel I und

Tafel II, aber die anderen Widerstände sind nicht unwesentlich größer

geworden, auch etwas anders gerichtet. Auffallend zugenommen hat der

Luftwiderstand bei 0°, derselbe hat schon mehr hebende Wirkung erhalten.

Diese Hebewirkung hört erst auf, wenn die Vorderkante der Fläche tiefer

liegt als die Hinterkante und zwar bei einer Neigung von -4°.

Noch auffallendere Erscheinungen zeigen sich, wenn man der Fläche 1/12

der Breite zur Höhlung giebt. Dann erhält man die Widerstände auf Tafel

IV Fig. 1. Auch hier ist c 90° noch nach der Formel: L = 0,13 × F × v^2

zu berechnen, also die Bewegung dieser Fläche senkrecht gegen die Luft

von keinem anderen Widerstand begleitet, als wenn die Fläche eben wäre.

Aber bei den anderen Neigungen weicht der Luftwiderstand ganz erheblich

von demjenigen ab, der bei der ebenen Fläche unter gleichen Neigungen

und gleichen Geschwindigkeiten entsteht.

Zum Vergleich sind auf Tafel IV Fig. 1 die Widerstände der ebenen Fläche

punktiert eingetragen. Hierdurch zeigen sich jetzt auffallend die

Vorteile der gewölbten gegenüber der ebenen Fläche in ihrer Verwendung

beim Fliegen.

Auf Tafel VII sieht man auch zwar deutlich, daß die Wölbung einer Fläche

für spitze Bewegungswinkel bis 20° den Widerstand ungefähr verdoppelt,

aber auf Tafel IV erkennt man außerdem die günstigere Richtung, welche

die Luftwiderstände der gewölbten Fläche besitzen, und wodurch letztere

gerade ihre gute Brauchbarkeit beim Vorwärtsfliegen erlangt.

Wenn man nun die Wölbung noch stärker macht als 1/12 der Breite einer

Fläche, so nehmen die hervorgehobenen guten Eigenschaften wieder ab; der

Luftwiderstand erhält wieder eine geringere hebende Komponente und

bekommt dadurch eine ungünstigere Richtung.

Wir müssen daher eine Höhlung von 1/12 der Breite als die günstigste

Wölbung eines Flügels bezeichnen, wenigstens bei den für diese Messungen

angewendeten Geschwindigkeiten, welche bis zu 12 m pro Sekunde betrugen.

Es ist möglich, daß bei noch größeren Geschwindigkeiten etwas schwächere

Wölbungen die vorteilhaftesten Verhältnisse geben; die Andeutung hierfür

war vorhanden.

Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Ein Beitrag zur Systematik der Flugtechnik · 第 33 / 50 题