Wenn man bei den zuletzt angeführten Versuchen die vertikalen
Luftwiderstandskomponenten nach Fig. 46 messen will, und die Fläche ab
in der Richtung des Hebels cma nach Fig. 49 angebracht hat und, durch g
abbalanciert, sich selbst im Winde überläßt, so stellt der Hebel sich
_nicht_ horizontal, sondern die Fläche wird, indem sie etwas auf und
nieder schwankt, merklich gehoben, und ihre mittlere Stellung liegt etwa
um 12° über dem Horizont. Will man die Fläche herunterziehen bis
dieselbe mit dem Hebel horizontal steht, so muß man eine verhältnismäßig
große Kraft anwenden, die etwa halb so stark ist, als der Luftwiderstand
der Fläche quer gegen den Wind betragen würde.
[Illustration: Fig. 49.]
In der Lage cmab hat also die Fläche keinen Winddruck nach oben oder
unten, oder wenigstens gleich viel Druck nach oben und unten; denn der
Wind stellt sich selbst die Fläche in diese Lage ein.
Wenn man nun die Fläche ab umkehrt und mit der Höhlung nach oben
anbringt, so entsteht die punktierte Lage c_1ma_1b_1, d. h. der Hebel
senkt sich an dem Ende, welches die Fläche trägt, aber nicht auch wieder
um 12° unter den Horizont, sondern im Mittel nur um cirka 4°.
Hieraus folgt, daß eine Fläche ohne Wölbung, also eine ebene Fläche, in
der Richtung des Hebels angebracht, sich im Winde so einstellen muß, daß
der Winkel ama_1, halbiert wird.
[Illustration: Fig. 50.]
Diesen Versuch haben wir denn auch wiederholt ausgeführt. Es stellte
sich dabei in der That die ebene Fläche in die beschriebene mittlere
Lage, indem, wie bei Fig. 50, der Hebel mit der Fläche um 3-4° gehoben
vom Winde eingestellt wurde. Wiederum war hierbei ein Auf- und
Niederschwanken sichtbar, es ließ sich jedoch die mittlere Neigung
deutlich genug erkennen.
Hiernach ist es klar, weshalb im Winde sich so starke Auftriebe, oder so
starke hebende Komponenten ergeben; denn der Wind hat eine solche
Wirkung, als sei er schräg aufwärts gerichtet, und das muß
notwendigerweise die Hebewirkung sehr vermehren.
Der Apparat nach Fig. 50 bildet gewissermaßen eine Windfahne mit
horizontaler Achse. Eine solche Windfahne in der Nähe von Gebäuden
aufgestellt giebt Aufschluß über die bedeutenden Schwankungen des Windes
nach der Höhenrichtung. An solchen Orten wechselt die aufsteigende
Windrichtung mit der sinkenden sehr stark, so daß die Schwankungen oft
mehr wie 90° betragen. Auf weiten kahlen Ebenen hingegen ist die
Windrichtung nach der Höhe viel beständiger, wenn auch ein
immerwährendes geringes Schwanken, oberhalb und unterhalb von einer
gewissen Mittellage, erkennbar bleibt. Diese Mittellage befindet sich
bei etwa 3,5° über dem Horizont.
Seltsamerweise zeigt sich fast keine Veränderung in dieser Erscheinung,
wenn man den Apparat Fig. 50 auf etwas steigendem oder etwas fallendem
Terrain aufstellt, wenn nur die Versuchsebene im großen und ganzen
horizontal liegt. Unter anderem konnten wir noch die genannte Steigung
der 4 m über dem Erdboden befindlichen Windfahne feststellen, wenn das
Terrain auf mehr als 200 m Länge unter 5° in der Windrichtung abfiel.
Unsere zahlreichen Versuche bewiesen uns, daß die genannte
Eigentümlichkeit der Windwirkung mit großer Beständigkeit auftritt.
Weder die Windrichtung und Windstärke noch die Jahreszeit oder Tageszeit
riefen unserer Erfahrung nach eine wesentliche Abweichung in der
beobachteten Windsteigung hervor.
Hervorgerufen wird diese Eigenschaft der Luft höchst wahrscheinlich
dadurch, daß die Windgeschwindigkeit nach der Höhe beträchtlich zunimmt.
Wenn auf freiem Felde z. B. der Windmesser 1 m über der Erde 4 m
Windgeschwindigkeit zeigt, so giebt er oft in 3 m Höhe schon 7 m
sekundliche Geschwindigkeit des Windes.
Auf die Erklärung über die Entstehung dieser steigenden Windrichtung
kommt es hier eigentlich nicht an. Für die Theorie des Vogelfluges und
die Flugtechnik genügt die Thatsache, daß die Winde eine solche Wirkung
auf die Flugflächen ausüben, als besäßen sie eine aufsteigende Richtung
von 3-4°.
Um noch mehr Gewißheit über dieses für die ganze Flugfrage höchst
wichtige Faktum zu erlangen, bauten wir einen Apparat wie Fig. 51, der 5
Windfahnen mit horizontalen Achsen in Höhen von 2, 4, 6, 8 und 10 m
übereinander trug.
[Illustration: Fig. 51.]
Die früher beobachtete Windsteigung von 3-4° zeigten alle 5 Windfahnen.
Die Lage derselben war jedoch nicht immer parallel, sondern die Fahnen
schwankten manchmal einzeln und manchmal gleichzeitig, aber verschieden
stark mit ihren Richtungen.
Um eine einheitliche Wirkung zu erhalten, verbanden wir die Hebel der
Windfahnen beiderseits von ihren Drehpunkten in gleichen Abständen mit
feinen Drähten, wie auch in Fig. 51 angedeutet, und zwangen dieselben
dadurch untereinander parallel zu bleiben. Hierdurch erhielten wir die
mittlere Windsteigung bis zu 10 m Höhe über dem Erdboden.
Auch diese mittlere Windrichtung nach der Höhe schwankte um die
Mittellage von 3-4° Steigung unaufhörlich auf und nieder.
Um nun über die wahre Mittellage durch diese Schwankungen keinem Irrtum
anheimzufallen, haben wir durch den Wind selbst eine Reihe von
Diagrammen über seine steigende Richtung aufzeichnen lassen.
Aus der Fig. 51 ist leicht ersichtlich, wie die zu diesem Zweck
getroffene Einrichtung in Wirkung trat. Der unterste Windfahnenhebel
verpflanzte durch eine leichte Stange die gemeinsame Bewegung der
Windfahnen auf einen Zeichenstift. Letzterer bewegte sich nach der
wechselnden Windsteigung daher auf und nieder. Wenn man nun einen mit
Papier bespannten Cylinder, auf dem die Spitze des Zeichenstiftes mit
leichtem Druck ruhte, gleichmäßig drehte, so erhielt man eine
Wellenlinie auf dem Papier. Um den Grad der Schwankungen der Hebel zu
erkennen, wurden zuförderst die Hebel nach der Wasserwage eingestellt,
und der Papiercylinder einmal herumgedreht. Dadurch zeichnete der Stift
eine gerade Linie vor, welche die Lage markierte, in welcher die Hebel
horizontal standen, wo also der Wind bei freier Beweglichkeit der Hebel
genau horizontal wehen mußte.
Auf diese Weise ergaben sich Diagramme, aus denen sich die mittlere
Windsteigung genau ermitteln ließ. Fig. 3 auf Tafel V zeigt eine solche
durch den Wind selbst gezeichnete Wellenlinie für die Dauer von einer
Minute. Man sieht, daß der Zeichenstift sich meistens über der
Horizontalen bewegte und im ganzen zwischen +10° und -5° schwankte. Die
größten von uns beobachteten Schwankungen, die aber seltener eintraten,
lagen zwischen 16° über und 9° unter der Horizontalen.
Die Diagramme, welche wir erhielten, zeigten alle gewisse gemeinsame
Merkmale. Für den Zeitraum von einer Minute ergab sich aus allen fast
derselbe mittlere Wert von 3,3°. In jeder ganzen Minute steigt auch der
Zeichenstift einige Male, wenn auch nur für kurze Zeit, unter die
Horizontale. Innerhalb einer Minute wiesen alle erhaltenen Kurven fast
die gleiche Zahl von Gipfelpunkten auf und zwar cirka 20 Maxima und 20
Minima. Auf eine steigende und fallende Tendenz der Kurve kommen also
durchschnittlich 3 Sekunden. Nur ausnahmsweise bleibt die Windsteigung
etwa 6-8 Sekunden annähernd konstant.
Man erkennt hieran übrigens deutlich, mit welchen Schwierigkeiten man
bei den Messungen des Luftwiderstandes im Winde zu kämpfen hat, und daß
nur durch recht zahlreiche Versuche gute Mittelwerte sich bestimmen
lassen.
Es sei noch erwähnt, daß uns bei diesen Versuchen besonders auffiel, daß
die Windfahnen sich meistens hoben, wenn wir an der Erde am Fuße des
Gestelles sitzend wenig Wind verspürten, wo also anzunehmen war, daß die
Differenz in den Windgeschwindigkeiten nach der Höhe verhältnismäßig
groß sein mußte. Wenn dagegen der Wind an der Erde stärker blies,
bewegten sich die Windfahnen meistens stärker abwärts. Es ist jedoch
besonders zu betonen, daß beides nicht immer zutraf, und sich daher auch
nicht ohne weiteres eine Gesetzmäßigkeit daraus ableiten läßt.
Die Zunahme des Windes nach der Höhe muß notwendigerweise mit einer die
ganze Luftmasse mehr oder weniger erfüllenden rollenden Bewegung
begleitet sein; denn es ist nicht denkbar, daß sich Luftschichten von
verschiedenen Geschwindigkeiten geradlinig übereinander fortschieben,
ohne durch die entstehende Reibung auch bei ganz stetiger Zunahme der
Windgeschwindigkeiten nach der Höhe sich gegenseitig in ihren
Bewegungsrichtungen zu beeinflussen. Die Tendenz zu rollenden Bewegungen
muß cykloidische Wellenlinien als Bahnen der Luftteile zur Folge haben,
die durch die Unebenheiten der Erdoberfläche namentlich in der Nähe der
letzteren unregelmäßig gestaltet werden, und nur in größeren Perioden
einen gleichmäßigen Charakter bewahren können.
In der Reibung der dahin streichenden Luft an der Erdoberfläche, an dem
Temperaturunterschied und Druckausgleich, welche den Wind immer zwingen,
dorthin zu wehen, wo Anhäufungen der Atmosphäre nötig sind, müssen wir
das beständige Schwanken in der Höhenrichtung des Windes um eine gewisse
über dem Horizont liegende Mittellage, sowie die den Auftrieb
verstärkende Windwirkung erblicken.
Schließlich möchten wir noch die Ansicht vertreten, daß die Linie,
welche der, den hohen, freistehenden Fabrikschornsteinen entströmende
Rauch in der windigen Luft beschreibt, ebenfalls ein treffendes Bild von
der Luftbewegung und ihrer steigenden Richtung angiebt, wenn auch der
Einwand hörbar werden wird, daß die heißen Schornsteingase diese
Steigung hervorrufen. Dieser durch Wärme hervorgerufene Auftrieb kann
doch wohl nur in unmittelbarer Nähe des Schornsteins wirksam sein und
sich nicht auf Kilometer weite Strecken ausdehnen.
Um den genaueren Zusammenhang aller dieser in diesem Abschnitt erwähnten
Erscheinungen mit ihren mutmaßlichen Ursachen genauer zu erforschen und
eine wirkliche Gesetzmäßigkeit erkennen zu können, ist es jedenfalls
nötig, die Untersuchungen viel weiter auszudehnen und namentlich neben
den Schwankungen der Windsteigung auch die Schwankungen der seitlichen
Windrichtung und die sich stets verändernde Windstärke und deren Zunahme
nach der Höhe mit in Betracht zu ziehen und gleichzeitig zu messen.
Es wäre sehr wünschenswert, wenn nach dieser Richtung hin recht
ausführliche Versuche gemacht würden, die nicht nur für die Flugtechnik,
sondern wohl auch für die Meteorologie die größte Wichtigkeit hätten.
34. Der Luftwiderstand des Vogelflügels in ruhender Luft nach den
Messungen im Winde.
Wir können nun annehmen, daß im Durchschnitt bei den Versuchen, welche
das Diagramm Tafel V ergaben, der Wind durchschnittlich eine
aufsteigende Richtung von wenigstens 3° hatte. Wenn wir daher
vergleichen wollen, wie sich die Resultate der Messungen im Winde zu
denen am Rotationsapparat verhalten, so müssen wir bei den Messungen im
Winde die Neigung der Fläche nicht zum Horizont messen, sondern zur
Windrichtung, das heißt, wir müssen die Winkel zum Horizont stets noch
um 3° vermehren. Thut man dieses, so erhält man das Diagramm Tafel VI,
Fig. 1, bei dem ebenfalls zum Vergleich die entsprechende Linie von
Tafel IV punktiert angedeutet ist.
Jetzt erst kann man erkennen, welcher Unterschied zwischen diesen beiden
Methoden der Messung bestehen bleibt; und zwar hat man die Abweichungen
auf die Fehlerquellen zurückzuführen, die der Rotationsapparat mit sich
bringt und die früher schon besprochen sind. Hiernach stellt Tafel VI
den Luftwiderstand dar, welcher entsteht, wenn eine vogelflügelförmige
Fläche geradlinig in ruhender Luft bewegt wird. Diese Widerstände,
ebenso wie diejenigen, welche vom Winde verursacht werden, sind auf
Tafel VII in ihren Verhältnisgrößen durch die obersten Linien
eingetragen. Auch hier erkennt man, wie stark der Widerstand durch die
Flächenwölbung vermehrt wird. Aber nicht die Größe des Luftwiderstandes
allein ist maßgebend für die Beurteilung der Wirkung, sondern eigentlich
noch mehr die Richtung des Luftwiderstandes.
Jetzt kann man aber auch wieder aus Fig. 1 auf Tafel VI einen Vergleich
der Luftwiderstandsrichtungen herbeiführen und die stets horizontal
ausgebreitete gewölbte Fläche ab nach den Richtungen 0°-90° abwärts
bewegt denken.
Fig. 2 auf Tafel VI enthält dann die Luftwiderstandslinien so
gezeichnet, wie sie zur Fläche ab wirklich gerichtet sind, wenn die
gewölbte Fläche in ruhender Luft geradlinig sich bewegt, während die im
Winde gemessenen Widerstandswerte zu Grunde gelegt sind.
35. Der Kraftaufwand beim Fluge in ruhiger Luft nach den
Messungen im Winde.
Auch die beim Vorwärtsfliegen in ruhiger Luft eintretende Kraftersparnis
läßt sich wie früher berechnen und ergiebt die Werte, welche in Fig. 2
auf Tafel VI bei den betreffenden Winkeln der mittleren
Bewegungsrichtung der Flügel verzeichnet sind, und welche wieder in
Vergleich gestellt sind mit der Arbeit A, die ohne Vorwärtsfliegen nötig
ist.
Jetzt zeigt sich die geringste Arbeitsleistung, wenn die Flügel sehr
schnell vorwärts und langsam abwärts sich bewegen, also bei
verhältnismäßig schnellem Fluge.
Selbst wenn man den Luftwiderstand des Vogelkörpers mit berücksichtigt,
erhält man kaum 1/10 von derjenigen Arbeitsleistung, die beim Fliegen
auf der Stelle nötig ist. Nachdem nun aber die Abwärtsbewegung der
Flügel sehr langsam geworden ist, wird sich der Nutzen, der durch die
Schlagwirkung entsteht, bedeutend verringern.
Nach Abschnitt 18 beträgt das Minimum der Arbeit beim Fliegen auf der
Stelle für den Menschen 1,5 HP. Bei teilweisem Fortfall der Vorteile der
Schlagwirkung würde sich aber wohl die doppelte Leistung, also 3 HP
ergeben, und diese 3 HP müßte man nach Tafel VI als die Arbeit A
ansehen. Man erhielte dann bei einem Fluge, bei dem die Flügel
durchschnittlich unter einem Winkel von 3° sich abwärts bewegen, für den
Menschen die erforderliche mechanische Leistung von 0,3 HP.
Dieses wäre nun aber ein Kraftaufwand, den der Mensch bei einiger Übung
sehr wohl längere Zeit zu leisten vermag. Wenn daher der Flugapparat,
dessen man sich bedienen müßte, eine recht günstige Form hätte und bei
etwa 15-20 qm Flugfläche nicht über 10 kg wöge, so wäre es wohl denkbar,
daß damit in ruhiger Luft horizontal bei großer Geschwindigkeit geflogen
werden könnte.
Was aber mit einem solchen Apparate auch ohne Flügelschläge sicher
ausgeführt werden könnte, wäre ein längerer schwach abwärts geneigter
Flug, der immerhin des Lehrreichen und Interessanten genug bieten
möchte.
36. Überraschende Erscheinungen beim Experimentieren mit
gewölbten Flügelflächen im Winde.
Wer die Diagramme auf Tafel V und VI betrachtet und sich dessen bewußt
ist, was uns zum Fliegen not thut, dem wird die Tragweite der
eigentümlichen Wirkung des Windes auf vogelflügelähnliche Flächen nicht
entgehen. Eine trockene, nüchterne Darstellung, wie solche Diagramme sie
geben, verschafft aber schwer den richtigen Eindruck, wie ihn derjenige
hat, der solche, ein gewisses auffallendes Gesetz enthaltenden Linien
entstehen sah. Da nun die in diesen Diagrammen ausgedrückte
Gesetzmäßigkeit des Luftwiderstandes geradezu den Schlüssel für viele
Erscheinungen beim Vogelfluge bietet, so ist es von Wichtigkeit, die
besonders auffallenden Wahrnehmungen bei den diesen Diagrammen zu Grunde
liegenden Versuchen näher hervorzuheben.
Wer solche Versuche selbst vornimmt, der wird viele Eindrücke empfangen,
die sich durch einfache Zahlenangaben und graphische Darstellungen nicht
wiedergeben lassen, denn Kraftwirkungen, von denen man nicht bloß sieht
und hört, sondern die man selbst sogar fühlt, prägen sich der
Vorstellung in Bezug auf ihre Bedeutung für die verfolgten Ziele
ungleich deutlicher ein. Und so ist es denn im höchsten Grade lehrreich,
selbst mit richtig geformten größeren Flugflächen im Winde zu operieren.
Allen denen aber, die hierzu keine Gelegenheit haben, diene folgendes
zum besseren Verständnis.
Als wir zuerst mit derartigen leicht gebauten Flächenformen in den Wind
kamen, wurde in uns die Ahnung von der Bedeutung der gewölbten
Flügelfläche sofort zur Gewißheit. Schon beim Transport solcher größerer
Flügelkörper nach der Versuchsstelle macht man interessante Bemerkungen.
Man ist befriedigt, daß der Wind kräftig bläst, weil die Messungen um so
genauer werden, je größer die gefundenen Zahlenwerte sich herausstellen,
aber der Transport der Versuchsflächen über freies Feld hat bei starkem
Wind seine Schwierigkeiten. Die Flächen sind beispielsweise aus leichten
Weidenrippen zusammengesetzt und beiderseits mit Papier überspannt. Man
muß also schon behutsam mit ihnen umgehen. Der Wind schleudert aber in
so unberechenbarer Weise mit den Flächen herum, drückt sie bald nach
oben, bald nach unten, daß man nicht weiß, wie man die Flächen halten
soll. Aber schon auf dem ersten Gang zur Versuchsstelle ergiebt sich
eine unfehlbare Praxis für den leichten Transport. Man findet, daß eine
solche flügelförmig gewölbte Fläche, welche mit der Höhlung nach oben so
schwer zu tragen war, als wenn sie mit Sand gefüllt wäre, nach der
Umkehrung, wo also die Höhlung nach unten liegt, vom Winde selbst sanft
gehoben und getragen wird. Wenn man dann nur eine flache Hand leicht auf
die Fläche legt und letztere am Aufsteigen verhindert, sowie nebenbei
die horizontale Lage sichert, so schwimmt die Versuchsfläche förmlich
auf dem Winde, und wenn die Fläche etwa 0,5 qm groß ist, so kann man bei
starkem Wind noch einen Teil des eigenen Armgewichtes mit von der Fläche
tragen lassen.
Jetzt, wo die Diagramme vor uns liegen, ist es ja ein Leichtes, die
Hebewirkung eines etwa 10 m schnellen Windes auf eine solche Fläche
auszurechnen. Nehmen wir als Hebedruck nur den halben Druck der normal
getroffenen Fläche an, so erhalten wir bei 10 m Windgeschwindigkeit bei
dieser 0,5 qm großen Fläche den Luftwiderstand L = ½ × 0,13 × 0,5 × 100
= 3,25 kg. Wenn nun die Fläche selbst 1,25 kg wiegt, so muß man dieselbe
noch mit 2 kg herunterdrücken, damit sie nicht vom Winde hochgehoben
wird. Man fühlt, wie die Fläche auf dem Winde schwimmt und braucht nicht
einmal Sorge zu tragen, daß der Wind die Fläche in seiner Richtung mit
sich reißt; denn der Luftwiderstand ist senkrecht nach oben gerichtet
und ein Zurückdrücken der wohlgeformten Fläche von einer Wölbung gleich
1/12 der Breite findet nicht statt, was denjenigen, welcher mit solchen
Wahrnehmungen noch nicht vertraut ist, in nicht geringem Grade
überraschen muß. Man sagt sich unwillkürlich, daß diese Flugfläche nur
entsprechend größer zu sein brauchte, um ohne weiteres mit derselben
absegeln zu können, wenn man statt der Fläche von 0,5 qm etwa eine
solche von 20 qm hätte. Freilich wird man ja auch an die
Gleichgewichtsfrage erinnert und gewahrt, daß doch eine erhebliche Übung
noch hinzukommen muß, um so große Flächen im Winde sicher dirigieren zu
können.
Wenn dann das Gerüst mit dem beweglichen Versuchshebel Fig. 46
aufgestellt ist, und man befestigt zunächst die Fläche so, daß ihre
Ränder in der Richtung des Hebels liegen, so daß also bei horizontaler
Hebelstellung die Fläche auch horizontal ausgebreitet ist, so fühlt man
schon bei schwachem Wind, daß die Fläche das Bestreben hat, sich zu
heben; denn durch das Gegengewicht ist ihr eigenes Gewicht abbalanciert.
Läßt man dann die Fläche los, so hebt sich das Hebelende mit der Fläche
wesentlich höher, dieselbe Erscheinung wie im Abschnitt 33 besprochen.
Zu Hause im geschlossenen, windstillen Raum hat man das Gegengewicht so
befestigt, daß die Versuchsfläche gerade ausbalanciert wird, und der
Hebel in jeder Lage im Gleichgewicht bleibt, wobei das sogenannte
indifferente Gleichgewicht herrscht. An eine Täuschung ist hierbei also
nicht zu denken.
Während der nun folgenden Kraftmessungen stellen sich alle jene großen
Unterschiede ein gegen die beim Experimentieren mit ebenen Flächen
gefundenen Resultate. Wie man schon durch das Gefühl über die an der
gewölbten Fläche auftretenden Vergrößerungen des Winddruckes überrascht
wird, so hat man erst recht Grund zur Verwunderung über die Hebewirkung
des Windes, wenn die Vorderkante der Fläche bedeutend tiefer liegt als
die Hinterkante. Diese Hebekraft hört, wie wir aus dem Diagramm Tafel V
gesehen haben, erst auf, wenn die Sehne des Querschnittbogens der Fläche
gegen den Wind um 12° abwärts gerichtet ist, wo der Uneingeweihte doch
sicher annehmen würde, daß hier der Wind die Fläche schon stark
herabdrücken müßte.
Nachdem man dann die Messung der vertikalen Komponenten des Winddruckes
ausgeführt hat, stellt man den Hebel vertikal, um auch die horizontalen
Drucke zu bestimmen nach Fig. 45.
[Illustration: Fig. 52.]
Mit der wagerechten Flächeneinstellung nach Fig. 52 beginnend, wird
einem sofort wieder eine neue Überraschung zu teil; denn gegen alle
Voraussetzung bleibt der Hebel mit dem oben befindlichen großen
Versuchskörper selbst im starken Sturm senkrecht stehen, nur wenig um
diese Mittellage hin und her schwankend. Die Projektion der Fläche nach
der Windrichtung beträgt einschließlich der Flächendicke über 1/10 ihrer
ganzen Grundfläche und dennoch schiebt der Wind die Fläche nicht zurück,
indem der Hebel bei schwachen Pendelbewegungen die vertikale Lage
behauptet.
Erstaunt hierüber bringt man den Hebel absichtlich aus der Mittellage
heraus, sowohl mit dem Wind als gegen den Wind und findet, daß die
Versuchsfläche immer wieder nach dem höchsten Punkte wandert, der Hebel
sich also immer wieder senkrecht stellt. Die Fläche _kann_ also nicht
bloß in der höchsten Lage bleiben, sie _muß_ sogar diese Lage behalten
und befindet sich daher nicht im labilen, sondern im stabilen
Gleichgewicht. Um diesen Eindruck noch zu verstärken, kann man irgend
einen schweren Körper, z. B. einen Stein a (bei unseren Versuchen 2 kg)
unter der Fläche am Hebel befestigen, so daß das obere Hebelende
thatsächlich schwerer wird wie das untere, aber auch dann noch bleibt
die Fläche oben in stabiler Lage, wenn mit dem hinzugefügten Gewicht bei
gewisser Windstärke eine gewisse Grenze nicht überschritten wird.
Wenn, wie hier, die Diagramme Tafel V vorliegen, ist die
Erklärung dieser Erscheinung nicht schwer. Man sieht aus diesen
Kraftaufzeichnungen, daß bei einer Flächenneigung von Null Grad gegen
den Horizont der Winddruck normal zur Fläche, also senkrecht steht, daß
aber bei negativen Winkeln, wenn also die Fläche gegen den Wind abwärts
gerichtet ist, der Winddruck schiebend auf die Fläche wirkt. Die
Stellung Fig. 53 wird daher einen Winddruck x ergeben, der die Fläche
zur Mittelstellung zurücktreibt. Ruft man aber künstlich die Stellung
Fig. 54 hervor, so entsteht bei Winkeln bis zu 30° ein Luftwiderstand y,
der von der Normalen zur Fläche nach der Windseite zu liegt, den Hebel
also um seinen Drehpunkt m nach links dreht, und die Fläche dem Wind
entgegen zieht. Es kann also weder die Stellung Fig. 53 noch die
Stellung Fig. 54 verbleiben, sondern beide Stellungen werden sich von
selbst wieder ändern, bis die senkrechte Mittelstellung Fig. 52
entsteht, wo der Winddruck bei wagerechter Flächenlage senkrecht hebend
gerichtet ist.
Diese Erscheinung, von der man vorher keine Ahnung haben konnte,
charakterisiert nun am deutlichsten die Befähigung der schwachgewölbten
Flugflächen zum Segeln, das heißt zu einem Fluge, der ohne
Flügelbewegung und ohne wesentliche dynamische Leistung seitens des
fliegenden Körpers vor sich geht.
Die zuletzt betrachtete Flugfläche würde sich ohne weiteres hochheben,
wenn sie nicht am Hebel befestigt wäre, und wenn man ihre horizontale
Lage sichern könnte, was natürlich am besten durch ein lebendes Wesen
geschehen würde, dem diese Fläche als Flügel diente.
[Illustration: Fig. 53.
Fig. 54.]
Die segelnden Vögel können nun aber nicht nur auf dem Winde ruhend in
der Luft still stehen, wie wir dies häufig am Falken beobachten, wenn er
Beute suchend, weder sinkend noch steigend, weder rückwärts noch
vorwärts gehend, fast unbeweglich die Erdoberfläche durchmustert,
sondern sie bewegen sich auch segelnd gegen den Wind, nicht nur
kreisend, sondern auch geradlinig. Oft bemerkten wir bei diesen zuletzt
erwähnten Experimenten, wobei wir nach den das Segeln ermöglichenden
Kraftwirkungen suchten, wie Raub- oder Sumpfvögel in segelndem Fluge
hochoben im Blauen über unseren Apparaten dem Winde entgegen schwebten.
Unsere Messungen ließen uns nun zwar keinen Zweifel darüber, daß es
Flugflächen giebt, welche im Winde senkrecht gehoben und nicht in der
Windrichtung zurückgedrückt werden. Die Vögel belehrten uns aber
darüber, daß es auch Flugflächen geben muß, welche wenigstens in höheren
Luftregionen dem Winde segelnd entgegengezogen werden müssen, bei denen
in der Ruhelage zur Erde also ein Winddruck auftreten muß, der nicht
bloß senkrecht steht, sondern noch etwas gegen den Wind ziehend wirkt,
um den Luftwiderstand des Vogelkörpers dauernd zu überwinden.
Diese Erscheinung ist natürlich erst recht nur aus einer aufsteigenden
Windrichtung zu erklären. Die regelrechte Untersuchung hierüber wird man
aber wohl erst anstellen können, wenn man imstande ist, den Luftdruck
frei unter den eigenen Flügeln zu fühlen.
Was in diesem Abschnitt von den Flügelflächen gesagt ist, gilt aber auch
teilweise für alle anderen gewölbten Flächen, welche dem Winde
ausgesetzt sind. Wir werden hierbei an manche Erscheinung des täglichen
Lebens erinnert, wo die seltsame Wirkung des Windes an gewölbten Flächen
sich auffallend markiert.
Die auf freiem Platze im Winde zum Trocknen auf der Leine hängende
Wäsche belehrt uns ebenso wie die an horizontaler Stange wehende Fahne,
daß alle nach oben gewölbten Flächen einen starken Auftrieb im Winde
erfahren und trotz ihres Eigengewichtes gern über die Horizontale
hinaussteigen. Das kleine Bildchen Fig. 55 wird manchen an einen oft
gehabten Anblick erinnern.
Aber auch die Technik macht, wenn auch häufig unbewußt vielfach
Anwendung von den aerodynamischen Vorteilen der Flächenwölbungen. Sowohl
die Segel der Schiffe wie die Flügel der holländischen Windmühle
verdanken einen großen Teil ihres Effektes der Wölbung ihrer Flächen,
welche sie entweder von selbst annehmen oder die ihnen künstlich gegeben
wird.
[Illustration: Fig. 55.]
Nachdem wir gesehen haben, welche gewaltigen Unterschiede sich
einstellen, wenn eine vom Winde schräg unter spitzem Winkel getroffene
Fläche nur wenig aus der Ebene sich durchwölbt, so ist es erklärlich,
daß man nur schwache Annäherungen an die Wirklichkeit erhalten kann,
wenn man die Segelleistung der Schiffe unter Annahme ebener Segel
berechnet, und daß man sich nicht wundern darf, wenn der Segeleffekt
derartige Berechnungen weit übertrifft.
Auch das immerwährende Flattern der Fahnen an vertikaler Stange im
starken Winde ist auf die genannten Eigenschaften gewölbter Flächen
zurückzuführen.
Die steife Wetterfahne aus Blech stellt sich ruhig in die Windrichtung.
Nicht so die Fahne aus Stoff. Während Fig. 56 die Oberansicht der
Wetterfahne angiebt, flattert die Stoffahne in großen Wellenwindungen
hin und her. Die Erklärung ist folgendermaßen zu denken: Bei der Fahne
aus Stoff bildet sich ein labiles Verhältnis, denn die geringste
entstehende Wölbung nach einer Seite verstärkt den Winddruck nach dieser
Seite eben auf Grund der uns jetzt bekannten Eigenschaften gewölbter
Flächen, wodurch die Wölbung sich vergrößert und Fig. 57 als Grundriß
der Fahne entsteht, bis der Winddruck bei a so groß wird, daß die
Wölbung durchgeklappt wird, und Fig. 58 daraus sich formt. Dieses Hin-
und Herklappen der Wölbung von rechts nach links ruft das Flattern der
Fahnen hervor und ihre immer gleichen Wellenbewegungen.
[Illustration: Fig. 56.
Fig. 57.
Fig. 58.]
An dieser Stelle kann auch darauf aufmerksam gemacht werden, daß man
jedem Boomerang, dessen Querschnitt bei den käuflichen Exemplaren die
leicht herstellbare Form nach Fig. 59 hat, ungleich leichter fliegend
machen kann, wenn man die Flächen nach Fig. 60 wirklich aushöhlt; denn
Fig. 59 ist nur eine unvollkommene Annäherungsform zu Fig. 60.
[Illustration: Fig. 59.
Fig. 60.]
Endlich finden wir, daß die Natur auch im Pflanzenreich den Vorteil
gehöhlter Flügel ausnützt, indem sie die geflügelten Samen vieler
Gewächse auf leicht gewölbten Schwingen im Winde dahinsegeln läßt.
Die hier für die Erscheinungen in der Luft angeführten Versuche mit
gewölbten Flächen dürften nun vielleicht nicht weniger interessant und
ergiebig mit geeigneten analog geformten Körpern im Wasser sich
ausführen lassen. Schon im kleinsten Maßstabe, sagen wir in der
gefüllten Kaffeetasse, kann man sich hierüber schon einigen Eindruck
verschaffen, wenn man fühlt, wie der seitlich hin und her bewegte
Theelöffel das deutlich erkennbare Bestreben hat, nach der Richtung
seiner Wölbung hin auszuweichen.
Also auch in den tropfbaren Flüssigkeiten erfahren die gewölbten Flächen
nach der Richtung ihrer Sehne bewegt einen stärkeren nach der Seite der
Wölbung zu liegenden Druck, und man kann annehmen, daß auch die an die
Fig. 30 in Abschnitt 25 angeknüpften Betrachtungen in gewissem Grade für
die Bewegungen im Wasser zutreffen. Sollte nun nicht die Theorie der
Schiffsschraube auch noch eine Lücke darin enthalten, daß diese
Querschnittswölbung nicht genügend gewürdigt ist?