40. Berechnung der Flugarbeit.

Es soll nun an einem größeren Vogel die Berechnung seiner Flugarbeit

unter Anwendung der in diesem Werke niedergelegten Anschauungen

durchgeführt werden. Wir erhalten dadurch ein Beispiel für die

praktische Benutzung der Luftwiderstandswerte vogelflügelähnlicher

Körper, deren Bekanntmachung ein Hauptzweck dieses Werkes ist.

Über die Diagramme ist noch im allgemeinen zu sagen, daß bei den zu

Grunde liegenden Versuchen besondere Sorgfalt auf die Bestimmung der

Widerstände bei den kleineren Winkeln verwendet ist, indem in der Nähe

von Null Grad in Abständen von 1½° die Messungen vorgenommen wurden.

Um den Flug auf der Stelle bei windstiller Luft handelt es sich hier

nicht, derselbe ist bereits im Abschnitt 18 durch Beispiele erläutert.

Derselbe kann auch von dem hier als Beispiel dienenden Storch nicht

ausgeführt werden, ebensowenig wie derselbe jemals vom Menschen in

Anwendung gebracht werden wird.

Was wir hier zu untersuchen haben, ist die Luftwiderstandswirkung beim

Segelflug und die Kraftanstrengung beim Ruderflug. Für diese beiden

Arten des Fliegens kommen aber nur kleinere Winkel der Flächenneigung

gegen die Bewegungsrichtung der Flügel zur Anwendung.

Als Beispiel ist der Storch gewählt, weil kein anderer ebenso großer

Vogel und ebenso gewandter Flieger eine gleich gute Beobachtung

gestattet.

Der Flügel Fig. 1 auf Tafel VIII ist einem unserer zu Versuchszwecken

gehaltenen Störche entnommen und zwar einem weißen Storch, während als

Muster für die Mitte der Figur 35 auf Seite 89 ein schwarzer Storch

diente. Bei letzterem zählt man 8 eigentliche Schwungfedern an jedem

Flügel, der weiße Storch hingegen, der uns jetzt beschäftigen wird, hat

deren nur 6.

Die Flügelkontur ist hergestellt durch Ausbreiten und Nachzeichnen des

lebenden Storchflügels, und auf Tafel VIII auf 1/6 Maßstab verkleinert.

Der zu dieser Abmessung verwendete Storch wog 4 kg; seine beiden Flügel

hatten zusammen eine Fläche von 0,5 qm.

Es fragt sich nun zunächst, bei welchem Wind dieser Storch ohne

Flügelschlag segeln kann.

Nach Tafel V erfährt eine passend gewölbte Flügelfläche horizontal

ausgebreitet einen normal nach oben gerichteten Luftdruck, welcher nach

Tafel VII gleich 0,55 von demjenigen Druck ist, den eine normal

getroffene ebene Fläche von gleicher Größe erhält. Der auf den segelnden

Vogel wirkende hebende Luftdruck braucht nur genau gleich seinem

Gewichte zu sein; hier also gleich 4 kg.

Nennen wir die erforderliche Windgeschwindigkeit v, so entwickelt sich

dieses aus der Gleichung 4 = 0,55 × 0,13 × 0,5 × v^2, woraus folgt v =

10,6.

Der Storch kann also bei einer Windgeschwindigkeit von 10,6 m segelnd

auf der Luft ruhen, vorausgesetzt, daß seine Flügel ebenso vorteilhaft

wirken, als unsere Versuchsflächen; da sie aber offenbar besser wirken,

so können wir das Minimum seines Segelwindes wohl auf 10 m

Geschwindigkeit abrunden. Die Flügel werden hierbei annähernd horizontal

ausgebreitet sein. Wie schon im Abschnitt 37 erwähnt, müssen beim

wirklichen Vogelflügel auch noch insofern günstigere Verhältnisse

obwalten, als der Luftdruck noch eine kleine treibende Komponente

erhalten muß, die nicht bloß genügt, den Winddruck auf den Körper des

Storches aufzuheben, sondern welche diesen Körper noch gegen den Wind

treiben kann. Wir haben Störche beobachtet, welche ohne Flügelschlag und

ohne zu sinken, auch ohne zu kreisen mit wenigstens 10 m Geschwindigkeit

gegen den Wind von 10 m anflogen. Der Körper dieser Störche erfuhr also

einen Widerstand, der einer Geschwindigkeit von 20 m entsprach.

Wenn der Storch behaglich auf einem Beine steht, wo die angelegten

Flügel seinen Umfang vergrößern und die Federn ihn lose umgeben, dann

ergiebt die Messung einen Querschnitt des Körpers von 0,032 qm. Ein

gewaltiger Unterschied in der Form aber tritt ein, wenn der Storch die

Flügel ausbreitet und die Federn sich glatt an den Körper anlegen, dann

sieht der mit ausgestrecktem Hals, Schnabel und Füßen fliegende Storch

aus wie ein dünner Stock zwischen den mächtigen Flächen seiner

Schwingen. Dann bleibt für den Körper nur ein Querschnitt von 0,008 qm

übrig, der überdies durch Schnabel und Hals nach vorn, wie durch den

Schwanz nach hinten eine äußerst vorteilhafte Zuspitzung erfährt. Durch

diese günstige Form dürfte der Luftwiderstand des größten Querschnittes

einen Verminderungskoeffizienten von ¼ erfahren und der Widerstand des

Körpers nach der Flugrichtung sich daher auf W = ¼ × 0,13 × 0,008 × 20^2

= 0,104 kg berechnen.

Segelt der Storch also gegen den Wind mit 10 m absoluter

Geschwindigkeit, so muß ihn der Druck unter seinen Flügeln noch mit

cirka 0,1 kg vorwärts treiben; der Winddruck muß daher bei seiner

hebenden Komponente von 4 kg eine treibende Komponente von 0,1 kg

besitzen, er muß also um den Winkel arc tg 1/40 = cirka 1,5° vor der

Normalen liegen.

Es ist nicht unwahrscheinlich, daß sich dieser kleine, spitze

Treibewinkel bei recht sorgfältiger experimenteller Ausführung auch noch

feststellen ließe, nachdem wir bereits durch den Versuch den Widerstand

des Windes in die Normale hineinbekommen haben.

Der Storch ist aber nicht gezwungen, genau gegen den Wind zu segeln; die

aufsteigende Komponente der Windgeschwindigkeit kommt ihm nach jeder

Richtung zu gute und giebt ihre lebendige Kraft zum vollkommenen

Segeleffekt an ihn ab, wenn er nur um cirka 10 m die ihn umgebende Luft

des Segelwindes überholt.

Die aufsteigende Windrichtung, die das Segeln ermöglicht, ist aber nicht

immer gleich, sondern, wie wir gesehen haben, schwankt dieselbe

beständig auf und nieder. (Siehe Fig. 3 auf Tafel V.) Diese Schwankungen

sind nun jedenfalls nicht nur bis zu einer Höhe von 10 m, bis wie weit

wir sie maßen, vorhanden, sondern erstrecken sich sicher auch bis in

Höhen, in denen die Vögel ihren dauernden Segelflug ausüben. Darum aber

sehen wir die segelnden Vögel beständig mit den Flügeln drehen und

wenden, und in jedem Augenblick eine neue günstigste Stellung

ausprobieren, sowie ihre eigene Geschwindigkeit der wechselnden

Windgeschwindigkeit anpassen.

Es ist wahrscheinlich, daß das Kreisen der Vögel ebenso mit den Perioden

in der Windneigung und Windgeschwindigkeit im Zusammenhange steht, als

mit der Geschwindigkeitszunahme des Windes nach der Höhe.

Kein Wunder ist es, daß die Vögel auch die feinsten Unterschiede in der

Luftbewegung fühlen, denn ihre ganze Oberfläche ist für dieses Gefühl in

Thätigkeit. Ihre lang und breit ausgestreckten Flügel bilden einen

empfindlichen Fühlhebel, und namentlich in den Häuten, aus denen die

Schwungfedern hervorwachsen, wird das feinste Gefühl sich konzentrieren,

wie in unseren Fingerspitzen.

Während also beim eigentlichen Segeln die Geschicklichkeit die

Hauptrolle spielt, ist die Flugarbeit selbst theoretisch gleich Null.

Wenn der Mensch jemals dahin gelangen sollte, die herrlichen

Segelbewegungen der Vögel nachzuahmen, so braucht er dazu also weder

Dampfmaschinen noch Elektromotore, sondern nur eine leichte, richtig

geformte und genügend bewegliche Flugfläche, sowie vor allem die

gehörige Übung in der Handhabung. Auch dem Menschen muß es in das Gefühl

übergegangen sein, dem jedesmaligen Wind durch die richtige

Flügelstellung den größten oder vorteilhaftesten Hebedruck abzugewinnen.

Vielleicht gehört hierzu _weniger_ Geschicklichkeit als auf hohem

Turmseil ein Gericht Eierkuchen zu backen, wenigstens wäre die

Geschicklichkeit hier auch nicht schlechter angewandt; und auch viel

gefährlicher dürfte das Unternehmen nicht sein, mit kleineren Flächen

anfangend und allmählich zu großen übergehend, das Segeln im Winde zu

üben.

Unsere Künstler auf dem Seil sind übrigens zuweilen nicht ganz

unerfahren in den Vorteilen, die ihnen der Luftwiderstand bieten kann.

Vor einigen Jahren sah ich in einem Vergnügungslokal am Moritzplatz in

Berlin eine junge Dame auf einem Drahtseil spazieren, welche sich mit

einem riesigen Fächer beständig Kühlung zuwehte. Auf den Unbefangenen

machte es den Eindruck, als sei die Produktion durch die Handhabung des

Fächers erst recht schwierig, worauf auch der Applaus hindeutete.

Demjenigen aber, welcher sich mit der Ausnutzung des Luftwiderstandes

beschäftigt hat, konnte es nicht entgehen, daß jene Dame den graziös

geführten Fächer einfach benutzte, um ununterbrochen eine unsichtbare

seitliche Stütze in dem erzeugten Luftwiderstand sich zu verschaffen und

so die Balance leichter aufrecht zu halten.

Wenn nun bei unserem Storch der Wind die Geschwindigkeit von 10 m

_nicht_ erreicht, und die Differenz in den lebendigen Kräften der

anströmenden verschieden schnellen Luft durch Lavieren und Kreisen sich

nicht so weit ausnützen läßt, daß das arbeitslose Segeln allein zur

Hebung genügt, so muß zu den Flügelschlägen gegriffen werden und die

eigene Kraft einsetzen, wo die lebendige Kraft des Windes nicht

ausreicht; dann muß künstlich der hebende Luftwiderstand erzeugt werden.

Gehen wir nun gleich zu dem äußersten Falle über, wo die helfende

Windwirkung ganz fortfällt, wo also der Storch, wie so oft beim

Nachhausefliegen an schönen Sommerabenden, gezwungen ist, bei Windstille

sich ganz auf die aktive Leistung seiner Fittige zu verlassen. Es treten

dann die Widerstandswerte von Tafel VI in Wirkung.

Der ganze Fliegevorgang nimmt jetzt aber eine andere Gestalt an. Der

vorher beim Segeln vorhandene gleichmäßige Hebedruck trennt sich in zwei

verschiedene Hälften, von denen die eine beim Aufschlag, die andere beim

Niederschlag wirkt.

Eine allgemeine Gleichung für den Ruderflug entwickeln zu wollen, wäre

nutzlos, weil die Luftwiderstandswerte, welche hier zur Anwendung

kommen, sich nicht in Formeln zwängen lassen, und weil sich hier

offenbar auf vielen verschiedenen Wegen ein gutes Resultat erzielen

läßt. Wir haben schon gesehen, wie ungleichartig die Funktion des

Flügelaufschlages auftreten kann, und wie mehrere dieser Wirkungsarten

von Vorteil sein können, wenn nur der Niederschlag der Flügel danach

eingerichtet wird. Maßgebend für die Wahl der Bewegungsart der Flügel

wird auch die zu erreichende Geschwindigkeit sein.

Greifen wir auch hier nun den Fall heraus, den der Storch bei ruhigem

Ruderfluge in windstiller Luft ausführt. Es sind dann zunächst noch

mehrere Faktoren in die Rechnung einzuführen und zwar:

1. Die Fluggeschwindigkeit.

2. Die Zahl der Flügelschläge pro Sekunde.

3. Die Zeiteinteilung für Auf- und Niederschlag.

4. Die Größe des Flügelausschlages.

5. Die Neigung der einzelnen Flügelprofile gegen die zugehörigen

absoluten Wege.

Die 4 ersten dieser Faktoren lassen sich durch die einfache Beobachtung

annähernd feststellen, über den 5. Faktor kann aber kaum die

Momentphotographie Aufschluß geben, und man thut daher gut, hierbei

durch Versuchsrechnungen die günstigsten Neigungen des Flügels zu

ermitteln.

Es kommt natürlich vor allen Dingen darauf an, denjenigen Fall

herauszufinden, wo die geringste motorische Leistung erforderlich ist.

Es ist aber anzunehmen, daß der Storch bei gewöhnlichem Ruderfluge sich

diejenigen Flugverhältnisse heraussucht, unter denen er eine

Minimalarbeit zu leisten hat. Er wird auch diejenige Fluggeschwindigkeit

wählen, welche keine besondere Vergrößerung der Arbeit mit sich bringt.

Da wir nun wissen, daß der Flug auf der Stelle so anstrengend ist, daß

der Storch ihn überhaupt nicht ausführen kann, während mit zunehmender

Fluggeschwindigkeit die Arbeit sich zunächst vermindert, wobei aber,

wenn eine gewisse Schnelligkeit überschritten wird, wieder eine Zunahme

der Arbeit sich einstellen muß, indem die auf das Durchschneiden der

Luft kommende Leistung im Kubus der Fluggeschwindigkeit wächst, so muß

irgendwo ein Minimalwert der Arbeit bei einer gewissen mittleren

Geschwindigkeit liegen oder es müssen, was sehr wahrscheinlich ist,

zwischen weiteren Grenzen der gewöhnlichen Fluggeschwindigkeit der Vögel

Arbeitsquantitäten erforderlich sein, die dem Minimalwert sehr nahe

kommen.

Der Storch legt nun bei Windstille etwa 10-12 m pro Sekunde zurück; denn

er hält ungefähr gleichen Schritt mit mäßig schnell fahrenden

Personenzügen. Der Storch macht dabei 2 doppelte Flügelschläge in jeder

Sekunde, und bei dieser langsamen Bewegung kann man das Zeitverhältnis

der Auf- und Niederschläge durch einfache Beobachtung schon erkennen;

man kann annehmen, daß die Zeiten sich verhalten wie 2:3, daß also 2/5

der Zeit eines Doppelschlages zum Aufschlag und 3/5 zum Niederschlag

verwendet werden.

Der 4. Faktor, der Flügelausschlag, läßt sich als einfacher Winkel nicht

angeben; denn vom Storch gilt auch das früher von der Möwe im Abschnitt

38 Gesagte, er bewegt die Flügelspitzen in viel größerem Winkel als die

Armteile. Hier könnte allerdings die Photographie gute Dienste leisten

zur Kontrolle, ob der Ausschlag, der hier nach Figur 2 auf Tafel VIII

bei der Rechnung zu Grunde gelegt ist, ungefähr die richtige Form hat.

Diese Figur 2 ist einfach nach dem Anblick niedergezeichnet, den der

Storch in seiner Ansicht von vorn oder hinten beim Fluge darbietet.

Nach diesen Wahrnehmungen kann man die Bewegungsform der Storchflügel

annähernd zusammensetzen.

Es soll nun zunächst untersucht werden, ob sich mit Hülfe der uns jetzt

bekannten Luftwiderstandswirkungen der Nachweis führen läßt, daß der

Storch mit seinen Flügelschlägen sich im Fluge halten kann, und dann,

wieviel Arbeit er dabei leisten muß.

Zu dem Ende denken wir uns den Flügel Fig. 1 auf Tafel VIII in 4 Teile

geteilt. A ist der zum Oberarm und B der zum Unterarm gehörige

Flügelteil. C ist die geschlossene Handfläche und D sind die Flächen der

Fingerfedern. Die Dimensionen dieser einzelnen Teile nebst ihren

Flächengrößen sind in Zeichnung angegeben.

Wir wollen nun annehmen, daß jeder der Teile A, B, C und D eine

gleichmäßige Geschwindigkeit habe, und der specifische Widerstand ihrer

Mittelpunkte a, b, c und d gleichmäßig über jedes der betreffenden

Flächenstücke verteilt sei.

In Fig. 2 sehen wir den Flügelausschlag mit den Hüben für a, b, c und d

in 1/20 Maßstab. Das Auf- und Niederschwingen der Flügel wird eine, die

gesamte Massenschwingung neutralisierende, entgegengesetzte Hebung und

Senkung des Storchkörpers zur Folge haben. Da der Flügelaufschlag aber

auch erheblich zum Tragen mitwirkt, so brauchen wir weiter keine Hebung

und Senkung des Storches zu berücksichtigen. Bei dem mäßigen Ausschlag

und der Kürze des Oberarmes wird der Schwingungsmittelpunkt für beide

Seiten des Storches in die Nähe des Punktes a fallen. Die Fläche A macht

daher annähernd eine geradlinige und bei dem hier zu betrachtenden

horizontalen Fluge auch eine horizontale Bahn. Demgegenüber sei zunächst

der Ausschlag von b gleich 0,12 m, von c gleich 0,44 und von d gleich

0,88 m, auf dem Bogen gemessen.

Wenn der Storch zwei Flügelschläge in 1 Sekunde auf 10 m verteilt, so

kommt er beim einmaligen Heben und Senken der Flügel 5 m vorwärts, und

zwar 2 m beim Aufschlag, 3 m beim Niederschlag. Trägt man diese Strecken

nebeneinander in 1/50 Maßstab auf und entnimmt entsprechend verkleinert

aus Fig. 2 die Hübe der einzelnen Flügelteile, so erhält man in Fig. 3

auf Tafel VIII die absoluten Wege, welche von a, b, c und d in der Luft

beschrieben werden. Die punktierte Linie ist der Weg der Flügelspitzen.

Jetzt bleibt noch übrig, die Neigung der Flügelelemente gegen ihre

absoluten Wege zu bestimmen und denjenigen Fall herauszusuchen, der

solche Widerstände giebt, daß der Storch zunächst damit fliegen kann und

dann auch möglichst wenig Arbeit gebraucht.

Um diese Versuchsrechnung auszuführen, kommt man am schnellsten zum

Ziel, wenn man für die Flächenstücke A, B, C und D sowohl beim

Aufschlag, als beim Niederschlag für eine Anzahl spitzer Winkel über

Null und unter Null die Widerstände als hebende und treibende

Komponenten ausrechnet und als Tabellen zusammenstellt. Dann erhält

man den nötigen Überblick für die Wahl der Winkel, welche

die vorteilhaftesten Wirkungen geben, und kann durch kurze

Zusammenstellungen leicht ein brauchbares Resultat herausfinden.

Als Beispiel soll der Widerstand des Flügelstückes C beim Niederschlag

berechnet werden, wenn dasselbe gegen seinen Luftweg vorn um 3° gehoben

ist. Die Fläche C hat 0,076 qm Inhalt. Tafel VII giebt den hier

anzuwendenden Koeffizienten bei 3° auf 0,55 an. Die Geschwindigkeit ist

durch die schräge Lage des Weges auf 10,1 m vermehrt, und daher erhält

der Widerstand die Größe:

0,55 × 0,13 × 0,076 × 10,1^2 = 0,554 kg.

Tafel VI giebt uns die Richtung dieses Widerstandes. Wenn die Fläche

sich um 3° vorn angehoben horizontal bewegte, würde der Luftdruck nach

Fig. 1 Tafel VI um 3° nach rückwärts stehen. Die Fläche C bewegt sich

aber um 8½° schräg abwärts, wodurch die Widerstandsrichtung um 8½ - 3 =

5½° nach vorn geneigt wird. (Siehe Fig. 5 auf Tafel VIII.)

Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst Ein Beitrag zur Systematik der Flugtechnik · 第 42 / 50 题