Dieser Teil ist der dritte Teil. Wenn Sie der Reihe nach lesen m├Âchten, finden Sie hier die vorangegangenen Teile:
Teil 1: Einleitung
Teil 2: Bernoulli, Drücke, Auftrieb im Detail

Teil 3: Reaktionsprinzip und Impulserhaltung

Die W├Âlbung des Fl├╝gels ist zwar wichtig, aber nicht der einzige Effekt. Wir kennen auch noch von dem englischen Naturforscher Isaac Newton (1643-1727) den Impulserhaltungssatz und damit den sehr hilfreichen Effekt des R├╝cksto├čes. Beide finden bei der Steuerung des Hubschraubers Anwendung. Zur Verdeutlichung gleich ein paar Experimente:

Experiment 3: Die Wand reagiert! Das Reaktionsprinzip

Gehen Sie zu einer Wand und dr├╝cken Sie dagegen. Was passiert? Nichts! Die Wand dr├╝ckt mit gleicher Kraft zur├╝ck, sonst w├╝rden Sie oder die Wand ja umfallen. Die Reaktionskraft der Wand ist in gleicher St├Ąrke, aber genau entgegengesetzt: ÔÇ×Actio = ReactioÔÇť. Das ist das NewtonÔÇÖsche Reaktionsprinzip, etwas wissenschaftlicher auch das ÔÇ×3. AxiomÔÇť genannt.

Experiment 4: Wer einen Kollegen schubstÔÇŽ. Die Impulserhaltung

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen auf einem typischen B├╝rodrehstuhl mit Rollen und haben Ihre F├╝├če vom Boden entfernt. Sie wollen so Ihren Kollegen wegsto├čen, der genau neben Ihnen ebenfalls auf einem solchen Stuhl sitzt. Sie rollen beide in die entgegengesetzte Richtung davon. Den Impuls, den Sie gaben, haben Sie vermutlich zur H├Ąlfte selbst abbekommen, sodass Sie nun beide durchs B├╝ro rollen. Ist Ihr Kollege schwerer als Sie, rollen Sie sogar etwas schneller als er. Extrembeispiel: Im Winter gibt die Batterie Ihres Autos auf und Sie m├╝ssen schieben. Wenn Sie dabei selbst auf Glatteis stehen, schieben Sie sich selbst weg und das Auto bleibt einfach stehen. Frechheit.

Experiment 5: Newton gr├╝sst beim Autofahren und Brotdose sp├╝len

Lassen Sie bei der n├Ąchsten Autofahrt das Fenster herunter und halten Sie Ihre Hand bei voller Fahrt flach aus dem Fenster. Neigen Sie Ihre Hand dann um verschiedene Winkel und Richtungen und sp├╝ren Sie die Kraft Newtons: Ihre Hand will nach oben, weil Sie die Luft nach unten dr├╝cken. Oder umgekehrt. Im Sommer macht dieses Experiment mehr Spa├č als im Winter.

F├╝r den Winter daher folgendes Alternativexperiment: Wenn Sie das n├Ąchste Mal sofern vorhanden die Brotdose Ihrer sofern vorhandenen Kinder abwaschen, nachdem Sie darin ein 3 Tage altes Pausenbrot gefunden haben, nehmen Sie den Deckel der Brotdose und bewegen Ihn seitlich geneigt hin und her durch das Sp├╝lwasser. Dabei werden Sie feststellen, wie der Deckel je nach Neigung eine Kraft nach oben oder unten erf├Ąhrt. Die Str├Âmung im Wasser ist als Modell durchaus geeignet, um das Str├Âmungsverhalten in Luft nachvollziehen zu k├Ânnen. Deshalb wurde oben zun├Ąchst allgemeiner von ÔÇ×FluidenÔÇť gesprochen.

F├╝r die Physik-Interessierten: Die Impulserhaltung

Der Impuls eines K├Ârpers ist das Produkt aus seiner Masse und seiner Geschwindigkeit. Prallen zwei K├Ârper mit jeweils verschieden starkem Impuls aufeinander, ├Ąndert sich beim Sto├č der Gesamtimpuls aller Sto├čpartner nicht. Es geht kein Impuls verloren, die resultierenden Teilimpulse k├Ânnen sich aber ├Ąndern. Dies wird als Impulserhaltungssatz beschrieben. Jeder kennt als h├╝bsche Anwendung das Kugelsto├čpendel. Oder aus Bud-Spencer-Filmen, in denen der von Bud Geohrfeigte aufgrund kleinerer K├Ârpermasse gleich eine Rolle vorw├Ąrts macht. Ok, dieser Vergleich hinkt etwas.

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Abbildung 8: Der Impulserhaltungssatz wie ihn fast jeder kennt

V├Âllig abgedreht: Was den Hubschrauber vom Papierflieger unterscheidet

Wie wir Auftrieb erzeugen k├Ânnen, um die Schwerkraft zu ├╝berwinden, ist nun theoretisch gekl├Ąrt. Wir m├╝ssen in der Praxis irgendwie bewerkstelligen, dass der Fl├╝gel mit m├Âglichst hoher Luftgeschwindigkeit angestr├Âmt wird. Einen Papierflieger werfen wir hierzu mit der Hand in die Luft, ein Sportflugzeug beschleunigt mit Hilfe eines Propellers, gro├če Passagierflugzeuge nutzen den Schub ihrer Triebwerke. In allen bisher genannten F├Ąllen bewegen sich die Fl├╝gel zusammen mit dem an diesen fest montierten Flugzeugrumpf nach vorne. Wenn die Geschwindigkeit und der dadurch erzeugte Druckunterschied und die wiederum dadurch erzeugte Auftriebskraft an den Tragfl├Ąchen gro├č genug ist, hebt das Flugzeug ab. Etwas anders ist der Ablauf beim Hubschrauber. Ein Hubschrauber bewegt sich zun├Ąchst nicht selbst, stattdessen dreht er seine Rotorbl├Ątter, die wie die Fl├╝gel beim Flugzeug Auftrieb erzeugen sollen. Von einem Kolbenmotor oder einem Turbinentriebwerk angetrieben, dreht sich der Rotor immer schneller, bis er eine ausreichend hohe Drehgeschwindigkeit erreicht. Wie die Tragfl├Ąchen eines Flugzeugs erzeugen die Rotorbl├Ątter Auftrieb, wenn sie sich schnell genug und in einer bestimmten Stellung durch die Luft bewegen.

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W├Ąhrend die Fl├╝gel an Flugzeugen starr befestigt sind und immer nur vom ÔÇťFahrtwindÔÇŁ aus der Flugrichtung angestr├Âmt werden, drehen sich beim Hubschrauber die ÔÇ×Fl├╝gelÔÇť. Sie werden aufgrund der Drehung weitgehend unabh├Ąngig von der eigentlichen Flugrichtung angestr├Âmt. Deshalb werden Flugzeuge auch Starrfl├╝gler genannt und Hubschrauber Drehfl├╝gler. Im Englischen sind die Begriffe entsprechend ÔÇ×fixed wingÔÇť und ÔÇ×rotary wingÔÇť.

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Abbildung 9: Begriffskl├Ąrungen au├čen am Typ Robinson R44

Allein aufgrund dieses Unterschiedes in der Bewegung bzw. Str├Âmungsrichtung von linear/geradeaus beim Flugzeug auf kreisf├Ârmig beim Hubschrauber-Hauptrotor ├Ąndert sich aerodynamisch bereits sehr viel. Bei einer kreisf├Ârmigen Bewegung beispielsweise haben die Punkte nahe am Zentrum eine geringere Geschwindigkeit als die Punkte weiter au├čen. Durch seine Drehbewegung erreicht ein Rotorblatt an seiner Blattspitze Geschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit, w├Ąhrend an der Blattwurzel in der N├Ąhe des Drehzentrums die Geschwindigkeiten zu klein sind, um nutzbaren Auftrieb erzeugen zu k├Ânnen. Das ist das Prinzip des Teufelsrads am Jahrmarkt, bei dem Personen auf einer sich drehenden Scheibe sitzen: Personen, die weiter weg vom Zentrum der Scheibe sitzen, bewegen sich schneller und werden durch die Fliehkraft recht bald nach aussen gedr├╝ckt. Personen, die nahe am Zentrum sitzen, erfahren kaum Fliehkr├Ąfte und k├Ânnen sich dort sehr lange halten. Bis eben der b├Âse Teufelsradbetreiber einen an einem Seil befestigen Ball auf die in der Mitte Sitzenden abfeuert und so dieses Gleichgewicht st├Ârt.

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Abbildung 10: Der Arbeitsplatz des Hubschrauberpiloten im Robinson R44

Diese Themenbereiche bez├╝glich Fliehkraft, Blattspitzengeschwindigkeit etc sind sehr komplex und deren Verst├Ąndnis ist zur Beantwortung der Frage weshalb ein Hubschrauber fliegen kann in der Tiefe an dieser Stelle nicht notwendig. Vereinfachend wird im Folgenden davon ausgegangen, dass der Hauptrotor mit seinen Rotorbl├Ąttern in Summe den n├Âtigen Auftrieb ├Ąhnlich einfach wie die Fl├╝gel beim Flugzeug erzeugt.

Im n├Ąchsten Teil:┬áVorw├Ąrts, R├╝ckw├Ąrts, Seitw├Ąrts. Und Kurvenflug.

Den n├Ąchsten Teil finden Sie hier: Warum kann ein Hubschrauber fliegen Teil 4