Auftrieb

Aus SystemPhysik
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Unter Auftrieb versteht man eine Oberflächenkraft, die vom umgebenden Stoff (Wasser oder Luft als Medium) auf einen Körper einwirkt.

Der Auftrieb hängt immer mit dem mechanischen Spannungszustand an der Oberfläche des Körpers zusammen

  • klassisch: eine Oberflächenkraft wird aus dem Spannungstensor durch Integration über die Oberfläche gebildet
  • systemdynamisch: eine Impulsstromstärke wird aus der Impulsstromdichte durch Integration über die Referenzfläche berechnet.

Man unterscheidet zwischen statischem und dynamischem Auftrieb. Der statische Auftrieb hängt nicht vom Bewegungszustand des Körpers ab. Der dynamische Auftrieb ist der Anteil der Oberflächenkraft, der normal zur Relativgeschwindigkeit von Körper und Medium steht und von dieser abhängt.

Beispiele

  1. Schiff, Luftschiff oder schwebender Ballon: der statischer Auftrieb ist gleich der Gewichtskraft
  2. In Wasser gleichmässig absinkender Stein: der statischer Autrieb und der Widerstand sind gleich der Gewichtskraft
  3. Fallschirmspringer: der statischer Autrieb, der Luftwiderstand und die Gewichtskraft bestimmen gemeinsam die Impulsänderungsrate
  4. Segelflugzeug im Gleitflug: Summe über statischen und dynamischen Auftrieb sowie Luftwiderstand ist gleich der Gewichtskraft
  5. Verkehrsflugzeug im horizontalen Bewegungszustand: Summe über Schubkraft der Triebwerke, statischen und dynamischen Auftrieb, sowie Gewichtskraft ist gleich Null

Bemerkungen

  • Der statische Auftrieb, der immer gegen die Gewichtskraft gerichtet und in Luft recht klein ist, wird oft mit der Gewichtskraft zum reduzierten oder effektiven Gewicht zusammengefasst. Nur dieses reduzierte Gewicht kann als Stromstärke des z-Impulses (z-Koordinate nach unten) mit einer Personen-, Feder- oder Lebensmittelwaage direkt gemessen werden.
  • Statischer Auftrieb und Widerstand sind beim absinkenden Stein (Beispiel 2) eigentlich nicht zu trennen. Integriert man den direkt messbaren, mechanischen Spannungszustand über die Oberfläche des Steins, erhält man die Summe aus Auftrieb und Widerstand. Der Widerstand ist dann einfach der geschwindigkeitsabhängige Anteil davon.
  • Bei Flugzeugen (Beispiele 4 und 5) ist die Aufteilung in statischen und dynamischen Auftrieb sowie Luftwiderstand eine theoretische Angelegenheit. Das Integral des Spannungstensors über die Oberfläche des Flugzeuges liefert einen einzigen Kraftvektor. Diese resultierende Impulsstromstärke bezüglich des Systems Flugzeug lässt sich modellmässig in einen geschwindigkeitsunabhängigen (statischer Auftrieb), einen gegen die Anströmung zeigenden (Widerstand) und einen normal dazu stehenden Anteil (dynamischer Auftrieb) aufteilen.