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Das Geheimnis des Fliegens: Wie das antike Griechenland die moderne Aerodynamik inspirierte?
Die Geheimnisse der Aerodynamik sind bis heute überliefert. Von Ikarus in der antiken Mythologie bis zum Entwurf moderner Flugzeuge war die Bewegung der Luft immer untrennbar mit dem menschlichen Traum vom Fliegen verbunden. Seit der Zeit der alten Griechen haben sich zahlreiche Theorien und Beobachtungen über die Bewegung von Objekten durch die Luft entwickelt, die den Weg für spätere wissenschaftliche Entwicklungen ebneten. Tatsächlich tauchen die grundlegenden Konzepte der Aerodynamik bereits in den Werken antiker griechischer Philosophen wie Aristoteles und Archimedes auf.
Ihre Forschung umfasste Konzepte wie Strömung, Widerstand und Druckgradient und legte damit den Grundstein für spätere wissenschaftliche Experimente.
Die formale Entwicklung der modernen Aerodynamik begann im 18. Jahrhundert und die revolutionären Fortschritte auf diesem Gebiet lassen sich auf die Strömungsmechanik und Gasdynamik zurückführen, die auf der Schrödinger-Gleichung basieren. Die rationale Beziehung zwischen den vier Grundkräften der Aerodynamik – Schwerkraft, Auftrieb, Luftwiderstand und Schub – wurde erstmals im Jahr 1799 von George Cayley klar definiert, und diese Prinzipien bestimmen auch heute noch die Flugzeugkonstruktion.
Kellys Theorie zeigte, dass die Beherrschung der Wechselwirkungen zwischen diesen vier Kräften der Schlüssel zum Fliegen schwererer Flugzeuge war.
Im 19. Jahrhundert baute Francis Herbert Wenham den ersten Windkanal, der es ermöglichte, aerodynamische Experimente mit nahezu höchster Präzision durchzuführen. Mit Otto Lilienthals erfolgreichem Gleitflug wurde das Konzept dünner, gekrümmter Flügel vorgeschlagen, das nicht nur den Begriff des Auftriebs erweiterte, sondern auch den Luftwiderstand verringerte. Anschließend gelang den Gebrüdern Wright im Jahr 1903 der erste kontrollierte Motorflug – ein bahnbrechendes Ereignis, das das Luftfahrtzeitalter einläutete.
Mit zunehmender Geschwindigkeit der Flugzeuge stellte die Kompressibilität der Luft eine Herausforderung für die Konstruktion dar. Ernst Mach schlug das Konzept der Mach-Zahl vor, eine Metrik, die für das Verständnis der Schallmauer und ihrer Auswirkungen auf die Flugzeugkonstruktion von entscheidender Bedeutung ist. Die Physik der Überschall- und Unterschallströmung unterscheidet sich hinsichtlich des Strömungsverhaltens bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und stellt Ingenieure vor zahlreiche Fragen und Herausforderungen.
Im Zuge der rasanten Entwicklung der Aerodynamik erweitern neue Theorien wie die der kompressiblen Strömung und Turbulenz die Grenzen der Luftfahrttechnologie.
Dank der Entwicklung der Technologie zur numerischen Strömungsmechanik können Konstrukteure die Leistung von Flugzeugen in Computersimulationen vorhersagen. Dies führt einerseits zu einer effizienteren Konstruktion und fördert andererseits auch ein tieferes Verständnis von Über- und Hyperschallströmungen. Dabei bilden Newtons Bewegungsgesetze, die Energieerhaltung und die Impulserhaltung sowie andere Prinzipien noch immer die zentrale theoretische Grundlage der modernen Strömungsdynamik.
Wie Aristoteles einst sagte, kann uns das Verständnis der Luftströmung um ein Objekt dabei helfen, die auf dieses Objekt einwirkenden Kräfte zu berechnen. Dieses Konzept ist noch immer nicht veraltet. Durch kontinuierliche wissenschaftliche Forschung und Erkundung, von den frühen Beobachtungen der alten Griechen bis hin zu den aktuellen fortschrittlichen Datensimulationen in 90 Metern Höhe, wird das menschliche Verständnis des Fliegens und der technologischen Anwendungen ständig neu definiert und aktualisiert.
Wie wird sich die Flugtechnologie der Zukunft gestalten, wenn unser Verständnis der Strömungsmechanik immer tiefer wird?
Heutzutage beschränkt sich die Konstruktion von Flugzeugen nicht mehr auf mechanische Berechnungen, sondern erfordert auch eine eingehende Auseinandersetzung mit der Wechselwirkung zwischen Strömung und Flugzeug. Von Unterschall- über Überschall- bis hin zu Hyperschall-Missionsanforderungen besteht das Ziel der modernen aerodynamischen Forschung darin, Flugzeuge so zu konstruieren, dass sie in verschiedenen Strömungsfeldern vorhersehbar mit Flüssigkeiten interagieren. Welche zukünftigen Untersuchungen werden sich daraus ergeben?
