Hier auf der Erde neigen wir dazu, den Luftwiderstand (auch bekannt als „Widerstand“) als selbstverständlich anzusehen. Wir gehen einfach davon aus, dass, wenn wir einen Ball werfen, ein Flugzeug starten, ein Raumschiff in die Erdumlaufbahn bringen oder eine Kugel aus einem Gewehr abfeuern, der Vorgang des Reisens durch unsere Atmosphäre sie natürlich verlangsamen wird. Aber was ist der Grund dafür? Wie kann die Luft ein Objekt verlangsamen, egal ob es sich im freien Fall oder im Flug befindet?

Aufgrund unserer Abhängigkeit von der Luftfahrt, unserer Begeisterung für die Erforschung des Weltraums und unserer Liebe zum Sport und dazu, Dinge in die Luft zu bringen (einschließlich uns selbst), ist das Verständnis des Luftwiderstands ein Schlüssel zum Verständnis der Physik und ein integraler Bestandteil vieler wissenschaftlicher Disziplinen. Als Teil der Unterdisziplin, die als Strömungsdynamik bekannt ist, findet er Anwendung in den Bereichen Aerodynamik, Hydrodynamik, Astrophysik und Kernphysik (um nur einige zu nennen).

Definition:

Der Luftwiderstand beschreibt per Definition die Kräfte, die der relativen Bewegung eines Objekts entgegenwirken, während es durch die Luft fliegt. Diese Widerstandskräfte wirken entgegengesetzt zur Anströmgeschwindigkeit und bremsen so das Objekt ab. Im Gegensatz zu anderen Widerstandskräften hängt der Luftwiderstand direkt von der Geschwindigkeit ab, da er die Komponente der aerodynamischen Nettokraft ist, die entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung wirkt.

Eine andere Möglichkeit, es auszudrücken, wäre zu sagen, dass der Luftwiderstand das Ergebnis von Kollisionen der Vorderfläche des Objekts mit Luftmolekülen ist. Man kann also sagen, dass die beiden häufigsten Faktoren, die einen direkten Einfluss auf die Höhe des Luftwiderstands haben, die Geschwindigkeit des Objekts und die Querschnittsfläche des Objekts sind. Ergo, sowohl erhöhte Geschwindigkeiten als auch Querschnittsflächen führen zu einem erhöhten Luftwiderstand.

In der Aerodynamik und im Flug bezieht sich der Luftwiderstand sowohl auf die Kräfte, die dem Schub entgegenwirken, als auch auf die Kräfte, die senkrecht dazu wirken (d.h. Auftrieb). In der Astrodynamik ist der Luftwiderstand sowohl eine positive als auch eine negative Kraft, je nach Situation. Er ist sowohl eine Belastung für den Treibstoff und die Effizienz während des Starts als auch eine Treibstoffersparnis, wenn ein Raumfahrzeug aus der Umlaufbahn zur Erde zurückkehrt.

Berechnung des Luftwiderstands:

Der Luftwiderstand wird normalerweise mit Hilfe der „Widerstandsgleichung“ berechnet, die die Kraft bestimmt, die ein Objekt erfährt, das sich mit relativ großer Geschwindigkeit durch eine Flüssigkeit oder ein Gas bewegt. Diese kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

In dieser Gleichung steht FD für die Widerstandskraft, p für die Dichte des Fluids, v für die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Schall, A für die Querschnittsfläche und CD für den Widerstandsbeiwert. Das Ergebnis ist der so genannte „quadratische Widerstand“. Ist dieser Wert ermittelt, kann die zur Überwindung des Luftwiderstands benötigte Leistung auf ähnliche Weise berechnet werden, was mathematisch wie folgt ausgedrückt werden kann:

Hier ist Pd die Leistung, die benötigt wird, um die Widerstandskraft zu überwinden, Fd ist die Widerstandskraft, v ist die Geschwindigkeit, p ist die Dichte des Fluids, v ist die Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Schall, A ist die Querschnittsfläche und Cd ist der Widerstandskoeffizient. Wie man sieht, ist der Leistungsbedarf der Kubus der Geschwindigkeit. Wenn man also 10 PS braucht, um 80 km/h zu fahren, braucht man 80 PS, um 160 km/h zu fahren. Kurz gesagt, eine Verdoppelung der Geschwindigkeit erfordert den Einsatz der achtfachen Leistung.

Arten des Luftwiderstands:

Es gibt drei Hauptarten des Luftwiderstands in der Aerodynamik – Auftriebsinduzierter, parasitärer und Wellenwiderstand. Jeder von ihnen beeinflusst die Fähigkeit eines Objekts, in der Luft zu bleiben, sowie die Leistung und den Treibstoff, die benötigt werden, um es dort zu halten. Auftriebsinduzierter (oder einfach nur induzierter) Widerstand tritt als Ergebnis der Erzeugung von Auftrieb an einem dreidimensionalen Auftriebskörper (Flügel oder Rumpf) auf. Er hat zwei Hauptkomponenten: Wirbelwiderstand und auftriebsinduzierter viskoser Widerstand.

Die Wirbel entstehen durch die turbulente Vermischung von Luft unterschiedlichen Drucks auf der Ober- und Unterseite des Körpers. Diese werden benötigt, um Auftrieb zu erzeugen. Mit zunehmendem Auftrieb steigt auch der auftriebsbedingte Widerstand. Für ein Flugzeug bedeutet dies, dass mit dem Anstellwinkel und dem Auftriebsbeiwert bis zum Strömungsabriss auch der auftriebsinduzierte Widerstand zunimmt.

Im Gegensatz dazu wird der parasitäre Widerstand durch die Bewegung eines festen Körpers durch ein Fluid verursacht. Diese Art von Widerstand setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen, zu denen der „Formwiderstand“ und der „Mantelreibungswiderstand“ gehören. In der Luftfahrt ist der induzierte Luftwiderstand bei niedrigeren Geschwindigkeiten tendenziell größer, da ein hoher Anstellwinkel erforderlich ist, um den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird dieser Luftwiderstand also deutlich geringer, aber der parasitäre Luftwiderstand nimmt zu, da die Flüssigkeit schneller um hervorstehende Objekte strömt und die Reibung erhöht. Die kombinierte Gesamtwiderstandskurve ist bei einigen Fluggeschwindigkeiten minimal und liegt bei oder nahe am optimalen Wirkungsgrad.

Der Wellenwiderstand (Kompressibilitätswiderstand) entsteht, wenn sich ein Körper mit hoher Geschwindigkeit durch eine kompressible Flüssigkeit bewegt. In der Aerodynamik besteht der Wellenwiderstand aus mehreren Komponenten, die vom Geschwindigkeitsregime des Fluges abhängen. Im transsonischen Flug – bei Geschwindigkeiten von Mach 0,5 oder höher, aber immer noch weniger als Mach 1,0 (auch bekannt als Schallgeschwindigkeit) – ist der Wellenwiderstand das Ergebnis einer lokalen Überschallströmung.

Die Überschallströmung tritt bei Körpern auf, die sich weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit bewegen, da die lokale Geschwindigkeit der Luft auf einem Körper zunimmt, wenn sie über den Körper beschleunigt. Kurz gesagt, bei Flugzeugen, die mit transsonischen Geschwindigkeiten fliegen, entsteht dadurch ein Wellenwiderstand. Dieser nimmt zu, wenn sich das Flugzeug der Schallgrenze von Mach 1,0 nähert, bevor es zum Überschallobjekt wird.

Im Überschallflug entsteht der Wellenwiderstand durch schräge Stoßwellen, die sich an der Vorder- und Hinterkante des Körpers bilden. Bei starker Überschallströmung bilden sich stattdessen Bugwellen. Bei Überschallgeschwindigkeiten wird der Wellenwiderstand üblicherweise in zwei Komponenten aufgeteilt, den vom Auftrieb abhängigen Wellenwiderstand und den vom Volumen abhängigen Wellenwiderstand.

Die Rolle der Luftreibung beim Flug zu verstehen, ihre Mechanik zu kennen und zu wissen, welche Art von Leistung benötigt wird, um sie zu überwinden, ist entscheidend für die Luft- und Raumfahrt. All dies zu wissen wird auch entscheidend sein, wenn es an der Zeit ist, andere Planeten in unserem Sonnensystem und in anderen Sternensystemen überhaupt zu erforschen!

Wir haben hier bei Universe Today viele Artikel über Luftwiderstand und Flug geschrieben. Hier ist ein Artikel über „Was ist Endgeschwindigkeit?“, „Wie fliegen Flugzeuge?“, „Was ist der Reibungskoeffizient?“ und „Was ist die Schwerkraft?“

Wenn Sie mehr Informationen über die Flugzeugprogramme der NASA haben möchten, schauen Sie sich den Beginner’s Guide to Aerodynamics an, und hier ist ein Link zur Widerstandsgleichung.

Wir haben auch viele verwandte Episoden von Astronomy Cast aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 102: Gravity.