Die Luftschiffahrt der Gegenwart

Ein weiteres, sehr beachtenswertes Element, mit dem die Flugtechnik rechnen mu?, ist der Wind.

Dieser ist nichts anderes, als in Bewegung begriffene Luft. Er entsteht durch Druckunterschiede in der Atmosph?re, indem Luft aus den Bereichen h?heren, in die niederen Druckes flie?t.

W?hrend die Meteorologie sich zumeist mit der Ermittlung der Hauptwindrichtung und der durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten, deren t?glichen Perioden, der Verteilung des Windes auf der Erde und dem gesetzm??igen Auftreten beider, den Schwankungen u. dgl. befa?t, studiert die Flugtechnik au?erdem noch die Einwirkung des Windes auf die Flugobjekte, die in kleinen Intervallen auftretenden prim?ren und sekund?ren Schwankungen des Windes, der vertikalen und horizontalen Richtung und der Geschwindigkeit nach.

Bezüglich der Windarten unterscheiden wir zwischen gleichm??ig wehendem Wind, welcher in der Natur zumeist nur für wenige Augenblicke vorkommt und zwischen sto?weisem Wind, welcher, wenigstens in der N?he der Erdoberfl?che, als die Regel angenommen werden mu?.

Alle Berechnungen k?nnen sich nur auf die erstere Gattung des Windes beziehen; jedoch mu? man sich die letztere Eigenschaft des Windes dabei stets vor Augen halten. Die Unbest?ndigkeit der Luftstr?mungen zeigen uns (in gr??eren H?hen) nicht nur die Wolken und die Ballonfahrten an, sondern auch (in den niederen Schichten der Atmosph?re) der aus den Schornsteinen aufsteigende Rauch, die wirbelnden Bl?tter, der Staub, das Treiben des Schnees, das Wogen der Saatenfelder, das Rauschen der W?lder etc.

Zum Messen der Windgeschwindigkeiten hat man in neuester Zeit besonders sinnreiche Apparate konstruiert, welche auch die in kleinen Zeitr?umen wiederkehrenden Fluktuationen des Windes zu beobachten gestatten. Es sei hier unter anderem auf die Apparate von Lilienthal, Wellner und Langley kurz verwiesen, sowie auf meine in der Broschüre ?Ballonbeobachtungen und deren graphische Darstellung? enthaltenen Anweisungen darüber.

Versuche und Messungen ergeben, da? die Windgeschwindigkeiten innerhalb nur weniger Sekunden sehr bedeutend differieren, so da? (wenn man sich die Zeiten auf einer Abszissenachse, die Geschwindigkeiten auf einer Ordinatenachse auftr?gt) selbe durch gr??ere oder kleinere Wellenlinien wiedergegeben werden, in deren auf- und absteigenden ?sten wieder sekund?re Schwankungen auftreten.

Die bisherigen Versuche zeigten, da? der Ablenkungswinkel gegen die mittlere Windrichtung oft 10-20 und mehr Grade betr?gt, die Differenzen des Neigungswinkels der jeweiligen Windstriche gegen die Horizontale übersteigen nicht selten selbst im ebenen Terrain 5-6 Grade. Eine mechanische Ausnützung dieses Umstandes durch Flugobjekte ist schwer denkbar. Trotzdem mu? man diese Eigentümlichkeit des Windes sich stets gegenw?rtig halten. Wer wei? übrigens, ob diese sekund?ren Schwankungen für schnell fliegende Luftschiffe wirklich von Belang sind?

Von besonderer Wichtigkeit ist die Geschwindigkeit und die Richtung des Windes, welche für die Bahn des Luftschiffes über der Erde von entscheidendem Einflusse wird.

Gleichm??ig wehender Wind ist wohl auf die vertikale Bahn des Flugobjektes ohne Einflu?, weil letzteres die Geschwindigkeit des Windes annimmt und alle Rechnungen bezüglich der Tragf?higkeit, Bahn etc. so auszuführen sind, als ob g?nzliche Windstille herrschen würde, doch variiert die Geschwindigkeit des zurückgelegten Weges sehr bedeutend, je nachdem Mit- oder Gegenwind weht. Es ist ein alter Erfahrungssatz, da? gerade für Anf?nger die sogenannte Windfrage meist eine Klippe bildet, über die zu kommen, bei der gro?en Zahl der auf diesem Gebiete existierenden Schriften h?chst fraglichen wissenschaftlichen Wertes, oft recht schwer f?llt.

Detaillierte Angaben über Richtung und Geschwindigkeit des Windes, dessen H?ufigkeit und Wechsel, respektive Zunahme mit der H?he und alle für Luftschiffahrt in Betracht kommenden Faktoren findet man in meinem Buche ?Lenkbare Ballons? auf den Seiten: 59-93, ferner auf den Seiten 188-203.

A. Allgemeines.

Der Luftwiderstand ist die Ursache der in der Luft verz?gerten Bewegung von Flugobjekten im Gegensatze zur Bewegung im luftleeren Raume.

Das Luftwiderstandsgesetz ist jener analytische Ausdruck, welcher den Einflu? s?mtlicher, die absolute Gr??e des Luftwiderstandes bestimmenden Elemente rechnungsm??ig darstellt.

Hervorgerufen wird der Luftwiderstand dadurch, da? das Flugobjekt an die Luft eine bestimmte Menge Energie übertr?gt.

Wie aus Obigem hervorgeht, ist der Luftwiderstand eine Kraft, welcher bei Bewegung des Flugobjektes an demselben wirkt und einen Verlust an Energie hervorbringt. Dieser Verlust mu?, nach dem bekannten Satze von der Arbeit, wonach die Aktion stets dasselbe Ma? an Reaktion hervorbringt, gleich sein der auf die Luft übertragenen Energie-Menge.

Wie an jeder Kraft, ist auch an dem Luftwiderstande zu unterscheiden zwischen der Gr??e und der Richtung derselben. Diese Elemente h?ngen, wie eine einfache überlegung lehrt, ab von:

a) der Geschwindigkeit der Bewegung;

b) den Dimensionen des K?rpers;

c) der Gestalt des K?rpers;

d) der Lage der jeweiligen Achse;

e) dem Zustande der Luft.

In der Flugtechnik befassen wir uns im allgemeinen nur mit Geschwindigkeiten bis zu 50, eventuell 80, im Maximum 100 Meter per Sekunde, also mit geringen Gr??en im Gegensatze zur Ballistik.

Die Gestalt der zu betrachtenden K?rper ist meist eine fl?chenartige oder doch eine aus einer Kombination von Fl?chen zusammengesetzte. Nur selten werden Rotationsk?rper in Anwendung kommen.

B. Experimente.

Zur Ermittlung des Luftwiderstandsgesetzes wird ausschlie?lich der experimentelle Weg eingeschlagen. Es würde zu weit führen, alle Methoden und darauf bezügliche Daten hier auch nur auszugsweise wiederzugeben. Die Vornahme dieser Experimente soll stets in gro?en, geschlossenen R?umlichkeiten geschehen. Die Resultate der in der freien Atmosph?re veranstalteten Experimente sind infolge von Wind und sonstigen Witterungserscheinungen so voll von Fehlerquellen, da? sie wenig brauchbar werden. In diese Kategorie geh?ren Versuche von Langley, Wellner, Cailletet, Collardeau, Touche, Lilienthal u. a. Die Experimente selbst teilen sich in solche mit Rundlauf- und in solche mit Wageapparaten gemachte ein, über deren Gebrauch und Verwendung man in von Loessls ausgezeichneten Schriften, besonders in seinem Hauptwerke: ?Die Luftwiderstandsgesetze, der Fall durch die Luft und der Vogelflug?, Wien 1896, die Seiten 3-23 nachlesen wolle.

Fig. 1. Friedrich Ritter von Loessl, der bis jetzt erfolgreichste Experimentator auf dem Gebiete des Luftwiderstandes.

Bei allen werden ebene, dünne Fl?chen in gleichm??ige Bewegung gesetzt und die sich hierbei ergebenden Widerst?nde ihrer Gr??e nach durch wiederholt angestellte Versuche ermittelt. Diese Messungen erfordern einen gro?en Aufwand von Zeit, Mühe, Geduld, Flei?, Accuratesse, Geld u. dgl. mehr und sind viele Jahre hindurch in geradezu mustergiltiger Weise von Loessl ausgeführt worden.

Ein Blick auf die hier beigefügte Tafel, welche eine Anzahl von diesem hervorragenden Experimentator verfertigter Versuchsmodelle im Bilde enth?lt, l??t die aufgewendete Arbeitsleistung ahnen.

Infolge der oben besprochenen Gründe anerkennt man heute als einwandfrei nur jene Resultate, welche von Loessl bei seinen minuti?sen Luftwiderstandsmessungen gefunden hat.

Um die Ergründung dieses Luftwiderstandsgesetzes machten sich au?erdem noch folgende Experimentatoren verdient:

Newton, Bernoulli, Euler, Borda, Robins, Thibault, du Buat, Poncelet, Kummer, Didion, Piobert, Robin, Rouse, Hutton, Vince, Helie, Virlet, Majewski, Bashfort, Krupp, Wellner, Lilienthal, Langley, Maxim, Weisbach, Renard, Eytelwein, Gerlach, Lord Raleigh, Smeaton etc. etc.

Aus dieser Aufz?hlung allein kann man schon ermessen, wieviel auf diesem Gebiete experimentiert wurde; trotzdem sind noch bei weitem nicht alle Fragen einspruchsfrei beantwortet.

Die Gr??e des Luftwiderstandes ist innerhalb jener Geschwindigkeitsgrenzen, welche uns interessieren, gleich gro?, ob sich nun eine Fl?che mit einer bestimmten Geschwindigkeit in ruhender Luft vorw?rts bewege, oder ob dieselbe Fl?che im Raume feststehend, von immer gleichf?rmig bewegter Luft mit derselben Geschwindigkeit getroffen werde. Stets kommt es auf die relative Bewegung zwischen Luft und Flugobjekt an.

Mit Hilfe von Experimenten, indem man Fl?chen von bekannter Gr??e mit variablen Geschwindigkeiten umlaufen lie?, hat man gefunden, da? der Luftwiderstand proportional der Gr??e der bewegten Fl?che sei und mit dem Quadrate der Geschwindigkeit der Luft wachse.

Von einem gewissen Einflusse ist auch das Gewicht der Luft, in dem die Fl?chen- oder K?rperbewegungen vor sich gehen. Hierbei mu? man sich gegenw?rtig halten, da? das Gewicht der Luft von der Temperatur und dem Luftdrucke abh?ngig ist.

Die geometrische Figur der Experimentalfl?che hat einen mehr untergeordneten Einflu?.

Kleine Versuchsobjekte in dem Loesslschen Laboratorium für Luftwiderstands-Messung.

September 1902.

Vor der Fl?che bildet sich ein sogenannter Luftkegel, das ist ein Kegel ruhender komprimierter Luft, welche sich im Zustande des statischen Gleichgewichtes befindet und der die bewegte Luft gleichsam keilf?rmig ablenkt.

über die ?u?ere Luftreibung liegen noch sehr wenige Daten vor, im allgemeinen vernachl?ssigt man sie.

überhaupt ist dieses Gebiet, so grundlegend das Luftwiderstandsgesetz für die theoretische Behandlung des Gegenstandes genannt werden mu?, noch ein viel zu wenig durchforschtes.

Allgemein ausgedrückt, ist der Luftwiderstand direkt proportioniert einem Produkte, bestehend aus dem spezifischen Gewichte der Luft, der Fl?che, einem dieser entsprechenden Koeffizienten, dem Quadrate der Geschwindigkeit und umgekehrt proportioniert der Accelleration der Schwere.

Im algebraischen Gewande lautet diese Formel:

R = γ

g ξ F v2 , worin bedeuten:

R = den Luftwiderstand in kg einer Fl?che von beliebiger Gestalt;

γ = das spezifische Gewicht der Luft in kg, bei der jeweilig herrschenden Temperatur und dem betreffenden Barometerstande;

g = die Accelleration der Schwere;

F = die Fl?che in m2;

ξ = einen von der Form und Lage der Fl?che abh?ngigen Koeffizienten. Bei ebenen Fl?chen, welche geneigt sind, ist ξ = sin α, d. h. gleich dem Sinus des Neigungswinkels;

v = die relative Bewegung zwischen Luft und Fl?che in Meter per Sekunde.

D. Folgerungen aus dem Luftwiderstandsgesetze.

Die Arbeitsgleichung des Luftwiderstandsgesetzes gibt uns wertvollen Aufschlu? über die für flugtechnische Probleme so wichtigen Arbeitsleistungen. Die Experimente lehren uns, da? die Arbeit mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit w?chst, was wohl zu beherzigen ist.

Aus den einzelnen, hier nicht wieder gegebenen Formeln lassen sich eine ganze Reihe h?chst wichtiger Gleichungen entwickeln, welche nicht nur über die Natur des Luftwiderstandsgesetzes vieler einschl?giger flugtechnischer Fragen Aufkl?rung geben, sondern uns überhaupt neue Bahnen bei Behandlung dieses Gegenstandes er?ffnen.

Wer sich für dieses Kapitel intensiv interessiert, den verweise ich auf das Loesslsche Werk über die Luftwiderstandsgesetze pag. 149-178 und auf meine Schrift: ?Das Loesslsche Luftwiderstandsgesetz und dessen Anwendung auf die Flugtechnik?, Sonderabdruck aus den ?Technischen Bl?ttern? in Prag.