Hallo, im Spiegel ist mal wieder ne Geschichte von einem Auto das (theoretisch) an der Decke fahren kann, da der Abtrieb bei ca 270 dem Fahrzeuggewicht entspricht. Schön bei 270 kann er unter der Decke schweben aber keine Antriebskräfte übertragen, dafür müsste es noch schneller fahren.
Kann das Auto denn nun theoretisch wirklich unter der Decke fahren oder beisst sich die Katze in den Schwanz, weil je schneller es wird desto höher wird doch die benötigte Anpresskraft um die Antriebsleistung überhaupt auf den Boden (die Decke) zu übertragen? Von Kurven wollen wir garnicht reden ;-)
Die benötigte Antriebsleistung lässt sich aber stark reduzieren. Erstens, indem man keine großen Beschleunigungen verlangt. Und zweitens dadurch, dass die Aerodynamik darauf optimiert ist, viel Andruck bei wenig Widerstand zu erzeugen. Am Ende dürfte dann das Auto eher wie ein Flugzeug in Rückenlage aussehen. Eine theoretische Mindestgrenze für den Antrieb gibt es nicht, theoretisch würde auch ein 1PS-Motor reichen.
Die Frage stellt sich also allenfalls dahingehend, ob es realistisch ist, sowas bauen zu können.
Es gibt AFAIK eine Menge Rennwagenentwürfe, die so viel Abtrieb erzeugen, dass das Fahrzeuggewicht dagegen nicht mehr sehr erheblich ist. So etwas sollte dann auch an einer Decke fahren können.
Wenn ich mir das Kräftegleichgewicht ansehe, dann wirkt in horizontaler Richtung zunächst einmal der Luftwiderstand und dem wirkt die Antriebskraft am Rad entgegen. Die Antriebskraft muss also permanent wirken und benötigt ihrerseits Bodenhaftung.
Beim vertikalen Kräftegleichgewicht habe ich die Schwerkraft, die von einer Kraft kompensiert wird / werden soll, die aus dem scheinbaren Nichts kommt und von der Geschwindigkeit abhängt.
Damit das funktioniert, muss also die horizontal anströmende Luft umgelenkt werden, damit durch die Impulsänderung der Luft eine vertikale Kraftkomponente entsteht.
Ich vermute daher, dass ein Teil des Luftwiderstandes dadurch entsteht, dass Anpressdruck über die Räder übertragen werden muss und eine entsprechende Optimierung des Luftwiderstandes nur begrenzt möglich ist.
Ich hätte keine Bedenken, wenn die Kraftübertragung wie bei einer Zahnradbahn funktioniert. Dann braucht man keinen zusätzlichen Anpressdruck an den Rädern, um die Antriebskraft zu übertragen.
Mit Gummireifen steigt dagegen die erforderliche vertikale Kraft mit der 3. Potenz der Geschwindigkeit, weil in diesem Maße auch der Luftwiderstand wächst (unveränderliche Fahrzeuggeometrie vorausgesetzt).
Hast du Zahlen oder ist das eine Vermutung. Das im Spiegel genannte Teil ist im Grunde ein Rennwagen, es hat bei 270 km/h 1100kg Abtrieb, genausoviel wie es wiegt.
Ein Formel 1 Renner wiegt meines Wissens einiges weniger, wenn der 700 kg wiegt und auch bei 270 die 1100 kg schafft, sollte es wohl gehen.
Würd ich nicht so sehen, bei einem Auto muss man die "Kraft auf die Strasse" (Decke) bringen. Den entstehenden Luftwiderstand den man überwinden muss bei 270, der auch mit allen Tricks nicht Null wird, den muss man auf der Strasse nach Actio gleich Reactio abstützen und dafür braucht man Anpressdruck.
Bei einem Flugzeug ist das anders da der Antrieb z.b. über Propeller geht. Wenn man ein Raketenauto nehmen würde hättest du Recht, das könnte im Grunde unter der Decke schweben/fliegen. MfG Matthias
Ja, aber was für den Antrieb zählt, ist die Leistung die gebraucht wird. Du musst zwar Luft nach unten umlenken um einen Auftrieb zu bekommen. Aber du kannst wahlweise wenig Luft schnell oder viel Luft langsam nach unten umlenken, der Auftrieb errechnet sich aus dem Impuls=Luftmengenstrom mal Geschwindigkeit. Der Widerstand jedoch aus der Arbeit, die du an der Luft verrichtest also der Bewegungsenergie, die du der Luft mitgibst. Und die ist Massenstrom mal Geschwindigkeit^2.
Wenn du also sehr viel Luft umleitest aber jeweils nur mit geringer Geschwindigkeit, dann bekommst du den nötigen Auftrieb mit immer weniger Arbeitsaufwand.
Segelflugzeuge haben deswegen eine recht große Spannweite, sie bewegen Luft auf der ganzen Länge der Flügel nach unten dafür aber mit recht geringer Geschwindigkeit. Solche Flugzeuge kommen auf Gleitzahlen von
1:30 also einen Auftrieb, der 30 mal so groß ist wie der Widerstand.
Für das Auto hieße das, es bräuchte einen Auftrieb von 1+1/30 mal sein Gewicht, damit die Reifen immer noch stark genug an die Decke gedrückt werden dass sie bei einem Haftreibkoeffizienten von 1 genug Antreib übertragen können um den Luftwiderstand auszugleichen. Wenn also ein Auto schon sein eigenes Gewicht an Auftreib erzeugen kann, dann fehlt eigentlich nicht mehr viel. Allerdings ist eine Gleitzahl von 1:30 etwas sehr traumhaft für Autos. Ich würde vermuten, ein Formel1-Auto würde noch nicht mal die Gleitzahl eines Spaceshuttel erreichen, und die ist schon schlecht:-).
Das spricht aber nicht gegen eine theoretische Machbarkeit.
Ich stelle mir das auch wenig dramatisch vor. Das Bild vom Tragflügelprofil und dessen Gleitzahl führt hier etwas in die Irre: Man braucht sich doch nur ein "umgekehrtes Hovercraftprinzip" vorzustellen, also einen Propeller, der unter dem Fahrzeug durch Absaugen von wenig Luft einen kleinen Unterdruck hinter einer tiefreichenden Schürze erzeugt, das gibt dann gleich riesenhafte Anpreßkräfte und verbraucht kaum Energie.
Bei schneller Fahrt kann man den Unterdruck natürlich viel günstiger durch eine aerodynamische Formgebung erreichen, eine Absaugturbine brauchte man nur, damit der Wagen auch im Stand an der Decke "kleben" könnte, und dafür reicht u. U. der Ansaugunterdruck vor dem Luftfilterrüssel (haben Rennwagen einen Luftfilter?) aus.
Es ist möglich, c_a größer als c_w zu machen und der Rollwiderstand kann bei hohen Geschwindigkeiten vernachlässigt werden. Wenn für die Reifenhaftung gilt \mu > c_w/c_a, dann wird es mit steigender Geschwindigkeit immer besser. Die Gewichtskraft, die Du von der Deckenpressung abziehst, ist eine Konstante, es gibt also immer eine Geschwindigkeit, oberhalb von der die Sache möglich ist. Die Frage, ob diese Geschwindigkweit mit den Materialfestigkeiten verträglich ist, war bis hier nicht gestellt. Die Reifen sind bei hohen Geschwindigkeiten das Hauptproblem und Eisenräder auf Schienen haben vermutlich ein \mu < c_w/c_a.
Streckung: Segelflugzeuge (SF) haben deshalb so eine große Spannweite, da der induzierte Widerstand (hauptsächlich Randwirbel) mit höher werdender Streckung (also Verhältnis von Spannweite zu Flächentiefe) kleiner wird. Der induzierte Widerstand kann bei geringer Streckung ohne weiteres IIRC 50%+ des Gesamtwiderstandes ausmachen. Hilfs(Gedanken)konstruktion dazu: ein Flugzeug mit unendlicher Spannweite hätte keinen Randwirbel, somit keinen induzierten Widerstand.
Der Nachteil der größeren Streckung ist der, dass die Rollwendigkeit immer schlechter wird. D.h. man kann das Ding irgendwann nicht mehr um die Längsachse drehen und somit nicht um die Ecke kriegen. Also hohe Wendigkeit heißt geringe Streckung und somit hohe Flächentiefe (Jagdflugzeuge, Spatz, Bussard).
Hohe Streckenflugleistung bei geringem Antrieb erreicht man mit einer hohen Streckung auf Kosten der Wendigkeit (Segelflugzeug, Albatros, Seeschwalben)
Also die Vögel kennen den Trick schon sehr lange. Auch das Ding mit den verschiedenen Formen der Flächen und Flächenenden (Winglets) haben sie selber rausgefunden.
Also um eine bestimmten Auftrieb bei gegebenem Profil zu erreichen, brauchts Du eben eine bestimmte (Flügel)Fläche. Die Flügefläche ergibt sich aus Spannweite mal Flächentiefe. Eine bestimmte Fläche läßt sich somit mit großer als auch kleiner Streckung erreichen.
Gleitzahl hat nichts mit dem Auftrieb und Widerstand (jedenfall nur indirekt) zu tun, sondern gibt an, welche Strecke ein Flugzeug aus was für einer Höhe zurücklegt. Eine Gleitzahl von 1:30 gibt an, dass das Flugzeug aus einer Höhe von 1000m noch 30000m Strecke fliegen kann. Wenn der Pilot aber zum Beispiel nicht genau in Längsrichtung fliegt (sog. Schieben), dann sinkt die Gleitzahl (u.U. dramatisch). Wird z.B. beim Landeanflug gemacht um schneller zu sinken (sog. Slip bzw. slippen)
Wenn man z.B. bei einem Hochleistungs-SF (sowas nennt sich(Super)Orchidee (GZ 1:65!)) z.B. drückt (also nach unten steuert) verliert es an Höhe und wird aber schneller. wg. der großen Streckung wird dabei nicht sehr viel an Energie in die Randwirbel verheizt. Nimmt man dann den Steuerknüppel zurück, weil man nicht so schnell in den Boden schlagen will, setzt der Bock die überschüssige Fahrt sofort wieder in Höhe um und schwupps ist die Landebahn zu Ende :-( Da rächt sich dann die hohe Flugleistung. Und mit so einer Orchidee magst/kannst Du nicht wirklich gut slippen um Fahrt/Höhe abzubauen, da hindern die gewaltig langen Flügel ordentlich dran. Darum haben SF Störklappen (Spoiler, Bremsklappen) und andere Hilfsmittel (Wölbklappen, Bremsschirme).
Dadurch das du den Sachverhalt anders formulierst, wird meine Formulierung nicht falsch. Oder wo ist der Fehler in meiner Argumentation?
Hier ging es aber darum, ob der Auftrieb reicht, um die Antriebskraft des Autos auf die Decke zu bringen. Dafür ist aber der Widerstand wichtig, hätte ich keinen, bräuchte ich als Auftrieb nur das Eigengewicht.
Wie wie oben: Ist das selbe. Die Energie, die ein Fahrzeug (oder Flugzeug) für eine Strecke verbraucht ist die Widerstandskraft integriert über die Strecke. Alles als konstant angenommen also c_w * Konstanten * Strecke. Die Energiequelle eines Segelflugzeugs ist die Höhenenergie. Hmm, wie ging die Rechnung noch weiter? müsste jetzt mal nachdenken/nachsehen. Jedenfalls kommt am Ende bei heraus, dass eben genau das c_w/c_a-Verhältnis die selbe Gleitzahl ist wie die, die du beschrieben hast.
Ach ja, jetzt hab ich's:
Energie, die das Flugzeug bei Höhenverlust h gewinnt ist m*g*h. h=Höhenverlust, g=Erdbeschleunigung, m=Masse Energie, die es durch Widerstand verliert ist c_w*p*s. s=geflogene Strecke, p=Staudruck=\rho/2*v^2 Auftrieb soll gleich der Gewichtskraft sein: m*g=c_a*p Das ineinander eingesetzt führt auf: c_a*p*h = c_w*p*s Staudruck rauskürzen und umstellen: c_a/c_w = s/h
Sicher stecken da ein paar Vereinfachungen drin (kleine Winkel z.B.) aber im Großen und Ganzen stimmt das so.
(Sollte man auf der Wiki-Seite so noch mal erwähnen, steht da nämlich tatsächlich nicht)
Deswegen gibt's ja auch geschwindigkeitskompensierte Variometer oder sowas. Heißt IMO irgendwie anders. Jedenfalls zeigt einem das bei einem solchen Manöver an, dass man eigentlich garkeine Höhe verliert.
SF haben die recht große Spannweite nur wg. der Verminderung des induzierten Widerstandes. Als man am Anfang die gr. Streckungen (festigkeits)technisch und flugtechnisch nicht beherrschen konnte, hatten sie deutlich geringere Spannweiten bei großen Flächentiefen.
Kunstflugsegler haben eigentlich immer eine kl. Streckung, damit sie wendiger werden. Bestes Beispiel LO100 IIRC 10m Spannweite und rund 1m mittlere Flächentiefe. Streckung IIRC unter 10. Das sind gewaltige Ohren. Gleitzahl irgendwas nahe an 1:plumps, trotzdem ist das ein affengeiles Gerät für Kunstflug. Ein "Leistungssegler" ist sie eher nicht, nennt sich auch 'fliegender Widerstand'.
Also die hohe Streckung dient nur der Verminderung des Luftwiderstandes und nicht um möglichst viel Luft 'umzuleiten'. Das geht auch mit kleiner Streckung und somit geringer Spannweite und großer Flächentiefe. Formel1 und LO100.
IIRC haben aktuelle F1 Abtriebe von über 1500kp bei >200km/h. Sie wiegen aber bloss 600kg incl. Fahrer. Wenn der also an der Decke fährt, hat er immer noch rund 900kp Anpresskraft. Das reicht ihm locker für den Antrieb, etwas mehr Wheelspin, aber das hätten die Jungs auch im Griff. Nur 5g Bremsungen sollten sie sich dann verkneifen :-)
[Herleitung gesnipt]
Ist interessant. Danke für die Herleitung, erweitert meinen Blickwinkel, aber eben ungebräuchlich. Gleitzahl wird definiert als Höhenverlust zu Weg.
Oder Doppeldecker. Gut, bei Segelflugzeugen gab's das nicht, fliegt ja auch nicht sehr gut im Segelflug, aber hatte in erster Linie den Vorteil. Und den Vorteil, dass man mit Abspannungen sozusagen als Fachwerk einen extrem dicken Flügel bauen kann der deswegen sehr stabil bei geringem Gewicht ist.
Also: Kurze Flügel vermindern den Auftrieb. Man müsste den Anstellwinkel erhöhen, aber das hat ja auch Grenzen. Um also mit kurzen Flügeln immernoch fliegen zu können (Auftreib >= Gewicht) muss die Flügeltiefe hoch gesetzt werden. Man kann sagen, dass die Flügelfläche das Maß ist, was das Gewicht tragen muss, aber ob das so richtig ist... Jedenfalls ist klar: 10m Spannweite und 30cm Flügeltiefe würde erst bei einem Anstellwinkel abheben, bei dem schon längst die Stömung abreißt.
Ist doch das selbe. Ich muss das Eigengewicht tragen, dabei hilft mir nur die Impulserhaltung: Massenstrom(nach unten) mal Geschwindigkeit(nach unten). Das ist die Auftriebskraft (zumindest vereinfacht, weil der Massenstrom und die Vertikalgeschwindigkeit nicht überall gleich ist, man müsste integrieren). Die Energie, die ich damit der Luft mitgebe ist aber Massenstrom/2 mal Geschwindigkeit^2. Also: halber Massenstrom bei doppelter Vertikalgeschwindigkeit bringt den gleichen Auftrieb, aber kostet doppelt so viel Energie. Man muss also zusehen, dass man möglichst viel Luft nach unten drückt, dafür aber nur mit geringerer Geschwindigkeit. Das erreicht man, indem man die Luft auf möglichst breiter Front nach unten drückt. Ein statt dessen tieferer Flügel erreicht nicht mehr Luft. Die Luft, die ein Flugzeug in Bewegung versetzen kann ist proportional Fluggeschwindigkeit mal Spannweite (^2 meine ich war da noch).
Aber dann mit mehr Widerstand. Wenn Formel1 dürfte wie sie wollte, dann hätten die sowas von breiten Flügeln hinten drauf....
Ungebräuchlich...:-) Ich nehme an, deine Äußerungen deuten darauf hin, du bist Segelflieger. Ich hab mal ein bischen Luft- und Raumfahrt studiert und die Sache nur von der Theoretischen Seite kennen gelernt. Tatsächlich bin ich in meinem Leben insgesamt nur 2 Stunden geflogen. Aber dafür kann ich dir bei jedem gängigen Cockpitinstrument sagen, was es bedeutet und wie es funktioniert:-) Theoretisker eben. Aber gut, das war mal. Jedenfalls ist mir schön öfters mal aufgefallen, dass reale Segelflieger einen --- etwas anderen Ansatz davon haben, wie das mit dem Fliegen funktioniert:-) Da sind schon noch machmal Sachen allgemein bekannt, die ein Theoretiker erst mal kompliziert nachrechnen müsste. Da sind aber auch Sachen für den Theoretiker selbstverständlich, die den Flieger verblüffen.
IIRC gabs auch das. Lilienthal(?) und einige weitere haben auch mit Doppeldeckern rumprobiert.
Nein, man konnte kleine Profildicken (geringer Widerstand) bei den einzelnen Flächen erreichen und trotzdem durch die weiteren Flächen samt Verspannung hohe Stabilität erreichen, was eben mit einer Fläche (noch nicht) zu erreichen war. Mehrdecker haben aber mehr Randbögen mit dementsprechend mehr Wirbeln und u.U. auch mehr Anschlüsse am Rumpf, also noch mehr Wirbel. Von der Verspannung etc mal ganz abgesehen.
Mit steigendem Anstellwinkel steigt auch der Widerstand gewaltig an. Profile haben nur einen rel. kl. Bereich für verschiedene Anstellwinkel. Bei jedem Anstellwinkel gibt es andere Eigenschaften. Du musst einfach schneller werden, so geht's auch, mit wiederum anderen Nachteilen. Es gibt nichts umsonst.
Genau das ist der Punkt und dazu kommt eben noch der induzierte Widerstand (schon wieder lurkt die Streckung :-)
Es ist richtig.
Nein, das geht nicht über den Anstellwinkel. Die LO100 braucht rund
10m^2 Flügelfläche, wenn Du also nur 30cm Flügeltiefe spendierts, dann brauchste rund 33m Spannweite. Das ist ein extrem ehrgeiziger Wert und mit Kunstflug isset dann auch vorbei. Immer gleiches Profil vorausgesetzt. Bei 30cm Profiltiefe hat der latürnich auch nur knapp ein drittel der Profildicke also viel stärkere Holme etc. also höheres Gewicht also noch mehr Flügelfläche. Bei den langen Flächen kannste danngleich noch den Rumpf länger machen, wg. der Stabilität um die Hochachse also wieder mehr Gewicht und nochmal mehr Fläche... Also sooo einfach ist das nicht, mit der Flächentiefe...
Nicht ganz.
Nicht nur das, Du vergißt den induzierten Widerstand am Randbogen, also das Ding was direkt umgekehrt proportional der Streckung ist. Das ist die Stelle, wo der Bartel den Most holt, jedenfalls bei SF.
Nein, Du hast dann (bei immer gleichem Profil) bei größeren Flächentiefen eben auch sehr viel dickere Profile...
Und tiefere (in Profilrichtung gesehen).
Jein, nur Modellsegelflieger. Und um da erfolgreich (selbst) was zu bauen und oder zu fliegen, brauchste schon etwas Durchblick bzgl. Aerodynamik. Aber wie gesagt ich bin da kein Aerodynamik Fachmann.
Naja, der Zusammenhang zwischen Flächengröße, Spannweite, Profildicke und Streckung mitsamt dem induzierten Widerstand ist da wohl etwas zu kurz gekommen oder in Vergessenheit geraten :-)
Das kann ich auch. Ich komme sogar am Steuerknüppel im echten Flugzeug recht gut zurecht, da ich dann ein weiteres Instrument habe, was mir beim Modellflugzeug nicht zur Verfügung steht. (der Hintern :-) Das ist umgekehrt auch der Grund, dass sich die echten Piloten normalerweise sehr schwer tun, wenn sie ein Modellflugzeug steuern sollen. Ganz finster sieht es dann aus, wenn sie Kurven fliegen müssen und das Modell nicht mehr von hinten sehen.
Das fing vor 20(?) Jahren damit an, dass die Verkehrsflugzeuge plötzlich die Vorteile hoher Streckungen, Winglets, Laminarprofile etc. entdeckten. Die SF kannten das schon seit den 30er Jahren. Unsere Großväter waren garnicht so dämlich, sie hatten nur noch keine modernen GFK und KFK Werkstoffe...
- Wir betrachten das Fahrzeug bei konstanter Geschwindigkeit.
Um die Anpresskraft an die Decke zu bekommen, müssen wir den Fahrtwind umlenken. Damit die erforderliche, konstante Vertikalkraft entsteht müssen wir nach dem 2. Newtonschen Axiom ständig eine Impulsänderung der anströmenden Luft bewirken. Dazu haben wir folgende Größen:
- Geschwindigkeitsänderung nach Betrag -> Geht nicht, wird durch die Fahrtgeschwindigkeit vorgegeben
- Geschwindigkeitsänderung nach Richtung -> Steiler aufgestellter oder flacher Spoiler
- Änderung des Massestroms -> Breiter oder schmaler Spoiler
Die Möglichkeit, den Betrag der Geschwindigkeit im Produkt Masse x Geschwindigkeit zu variieren, sehe ich da erstmal nicht.
Je stärker ich die Luft = den Impulsstrom umlenke, um so höher wird mein Luftwiderstand. Wenn ich statt dessen viel Masse nur gering umlenke, habe ich den gleichen Effekt.
Fazit: Wenn ich den Impuls der stehenden Luft ändere, muss ich eine entgegengesetzte + betragsgleiche Impulsänderung irgendwo anders erzeugen, z.B. indem sich meine Räder auf der Fahrbahn abstützen. Und das versaut mir die Aerodynamik, egal wie ich den Massenstrom und die Richtung der Umlenkung durch die Spoiler vorgebe.
Genau. Für den ruhenden Beobachter sieht das Ganze so aus: Das Fahrzeug pflügt durch die stillstehende Luft (kinetische Energie =0) und beschleunigt diese nach unten (kinetische Energie >0), wo sich die Strömung wieder an der umgebenden, stehenden Luft abbremst.
Die analoge Bilanz kann man für den Impuls machen.
Am Impuls kannst Du nichts drehen. Die Kraft, die Du als Anpresskraft brauchst, gibt Dir die benötigte Impulsänderung vor. Damit hast Du dann auch die untere Grenze für die Leistung, die ständig zugeführt werden muss.
Dazu kommt dann noch die Leistung für den Luftwiderstand, der auch bei bester Aerodynamik immer vorhanden wäre plus Verwirbelungen / Turbulenzen / ....
Trotz allem: Ich hab's zwar nicht nachgerechnet, aber ich halte es für machbar, wenn man sich das Fahrzeug mal einen Augenblick als Flugzeug vorstellt und über ein alternatives Antriebskonzept (Räder oben statt Propeller vorne) nachdenkt.
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