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

Teil 3: Reaktionsprinzip und Impulserhaltung

Die Wölbung des FlĂŒgels 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 RĂŒckstoßes. 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 drĂŒcken Sie dagegen. Was passiert? Nichts! Die Wand drĂŒckt mit gleicher Kraft zurĂŒck, sonst wĂŒrden Sie oder die Wand ja umfallen. Die Reaktionskraft der Wand ist in gleicher StĂ€rke, aber genau entgegengesetzt: „Actio = Reactio“. Das ist das Newton’sche Reaktionsprinzip, etwas wissenschaftlicher auch das „3. Axiom“ genannt.

Experiment 4: Wer einen Kollegen schubst
. Die Impulserhaltung

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen auf einem typischen BĂŒrodrehstuhl mit Rollen und haben Ihre FĂŒĂŸe vom Boden entfernt. Sie wollen so Ihren Kollegen wegstoßen, 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 HĂ€lfte selbst abbekommen, sodass Sie nun beide durchs BĂŒro 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 mĂŒssen schieben. Wenn Sie dabei selbst auf Glatteis stehen, schieben Sie sich selbst weg und das Auto bleibt einfach stehen. Frechheit.

Experiment 5: Newton grĂŒsst beim Autofahren und Brotdose spĂŒlen

Lassen Sie bei der nĂ€chsten 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 spĂŒren Sie die Kraft Newtons: Ihre Hand will nach oben, weil Sie die Luft nach unten drĂŒcken. Oder umgekehrt. Im Sommer macht dieses Experiment mehr Spaß als im Winter.

FĂŒr den Winter daher folgendes Alternativexperiment: Wenn Sie das nĂ€chste 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 SpĂŒlwasser. Dabei werden Sie feststellen, wie der Deckel je nach Neigung eine Kraft nach oben oder unten erfĂ€hrt. Die Strömung im Wasser ist als Modell durchaus geeignet, um das Strömungsverhalten in Luft nachvollziehen zu können. Deshalb wurde oben zunĂ€chst allgemeiner von „Fluiden“ gesprochen.

FĂŒr die Physik-Interessierten: Die Impulserhaltung

Der Impuls eines Körpers ist das Produkt aus seiner Masse und seiner Geschwindigkeit. Prallen zwei Körper mit jeweils verschieden starkem Impuls aufeinander, Ă€ndert sich beim Stoß der Gesamtimpuls aller Stoßpartner nicht. Es geht kein Impuls verloren, die resultierenden Teilimpulse können sich aber Ă€ndern. Dies wird als Impulserhaltungssatz beschrieben. Jeder kennt als hĂŒbsche Anwendung das Kugelstoßpendel. Oder aus Bud-Spencer-Filmen, in denen der von Bud Geohrfeigte aufgrund kleinerer Körpermasse gleich eine Rolle vorwĂ€rts macht. Ok, dieser Vergleich hinkt etwas.

hubschrauber rundflug impulse kugeln kraefte physik

Abbildung 8: Der Impulserhaltungssatz wie ihn fast jeder kennt

Völlig abgedreht: Was den Hubschrauber vom Papierflieger unterscheidet

Wie wir Auftrieb erzeugen können, um die Schwerkraft zu ĂŒberwinden, ist nun theoretisch geklĂ€rt. Wir mĂŒssen in der Praxis irgendwie bewerkstelligen, dass der FlĂŒgel mit möglichst hoher Luftgeschwindigkeit angeströmt wird. Einen Papierflieger werfen wir hierzu mit der Hand in die Luft, ein Sportflugzeug beschleunigt mit Hilfe eines Propellers, große Passagierflugzeuge nutzen den Schub ihrer Triebwerke. In allen bisher genannten FĂ€llen bewegen sich die FlĂŒgel 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 TragflĂ€chen groß genug ist, hebt das Flugzeug ab. Etwas anders ist der Ablauf beim Hubschrauber. Ein Hubschrauber bewegt sich zunĂ€chst nicht selbst, stattdessen dreht er seine RotorblĂ€tter, die wie die FlĂŒgel 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 TragflĂ€chen eines Flugzeugs erzeugen die RotorblĂ€tter Auftrieb, wenn sie sich schnell genug und in einer bestimmten Stellung durch die Luft bewegen.

hubschrauber rundflug papier flieger tragkraft falten

WĂ€hrend die FlĂŒgel an Flugzeugen starr befestigt sind und immer nur vom “Fahrtwind” aus der Flugrichtung angeströmt werden, drehen sich beim Hubschrauber die „FlĂŒgel“. Sie werden aufgrund der Drehung weitgehend unabhĂ€ngig von der eigentlichen Flugrichtung angeströmt. Deshalb werden Flugzeuge auch StarrflĂŒgler genannt und Hubschrauber DrehflĂŒgler. Im Englischen sind die Begriffe entsprechend „fixed wing“ und „rotary wing“.

hubschrauber robinson r44 bezeichnungen heck kufen rotorkopf

Abbildung 9: BegriffsklĂ€rungen außen am Typ Robinson R44

Allein aufgrund dieses Unterschiedes in der Bewegung bzw. Strömungsrichtung von linear/geradeaus beim Flugzeug auf kreisförmig beim Hubschrauber-Hauptrotor Ă€ndert sich aerodynamisch bereits sehr viel. Bei einer kreisförmigen Bewegung beispielsweise haben die Punkte nahe am Zentrum eine geringere Geschwindigkeit als die Punkte weiter außen. Durch seine Drehbewegung erreicht ein Rotorblatt an seiner Blattspitze Geschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit, wĂ€hrend an der Blattwurzel in der NĂ€he des Drehzentrums die Geschwindigkeiten zu klein sind, um nutzbaren Auftrieb erzeugen zu können. 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 gedrĂŒckt. Personen, die nahe am Zentrum sitzen, erfahren kaum FliehkrĂ€fte und können sich dort sehr lange halten. Bis eben der böse Teufelsradbetreiber einen an einem Seil befestigen Ball auf die in der Mitte Sitzenden abfeuert und so dieses Gleichgewicht stört.

hubschrauber arbeitsplatz robinson steuerung pedale cyclic collective

Abbildung 10: Der Arbeitsplatz des Hubschrauberpiloten im Robinson R44

Diese Themenbereiche bezĂŒglich Fliehkraft, Blattspitzengeschwindigkeit etc sind sehr komplex und deren VerstĂ€ndnis 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 RotorblĂ€ttern in Summe den nötigen Auftrieb Ă€hnlich einfach wie die FlĂŒgel beim Flugzeug erzeugt.

Im nĂ€chsten Teil: VorwĂ€rts, RĂŒckwĂ€rts, SeitwĂ€rts. Und Kurvenflug.

Den nÀchsten Teil finden Sie hier: Warum kann ein Hubschrauber fliegen Teil 4