Sie befinden sich hier -> Axel-online.org -> Drachen -> Aoerodynamik am Drachen

Aerodynamik für Drachen

Drachen sind schwerer als Luft und können dennoch fliegen. Dabei wirken drei Kräfte: Auftriebskraft, Schwerkraft und Zugkraft. Die Auftriebskraft läßt den Drachen nach oben steigen und wirkt der Schwerkraft entgegen. Außerdem muß die Kraft des Windes den Luftwiderstand bei der Vorwärtsbewegung des Drachens überwinden. Die Leistungsfähigkeit eines Drachens wird durch das Verhältnis von Auftrieb zu Zug beschrieben. Ist dieses Verhältnis niedrig, so fliegt der Drachen schräg am Himmel. Bei einem hohen Auftrieb-Zug-Verhältnis steigt der Drachen sehr steil empor. Deltadrachen haben normalerweise ein hohes Auftrieb-Zug Verhältnis. Daher ist es nicht ungewöhnlich, daß Deltadrachen in einem 90°-Winkel senkrecht über dem Boden fliegen. Wie die Abb. 1 zeigt, konvergieren Auftriebskraft (A), Schwerkraft (B) und Zugkraft (C) im Druckzentrum (D). Der Anstellwinkel (E) des Drachens entspricht dem Winkel zwischen seiner Bespannung und dem anströmenden Wind. Dieser wird über den Zugpunkt reguliert, der mit dem Druckzentrum auf einer Linie liegen sollte.

Der exakte Zugpunkt eines Drachens ist der Waagepunkt. Die Flugleine sorgt für einen beständigen Druck auf das Segel, woraus wiederum der Auftrieb resultiert (siehe Abb. 2). Das Druckzentrum verlagert sich nach vorn, wenn der Drachen im Flug nach oben steigt. Befindet sich der Drachen hoch oben in einem gleichmäßigen Luftstrom, bewegt er sich weder vorwärts noch rückwärts und scheint von der Wirkung der Schwerkraft unangetastet zu bleiben. Wie läßt sich dies erklären? Einfach ausgedrückt, kann sich der Drachen deshalb in der Luft halten, weil die durch den Wind erzeugte Auftriebskraft größer ist als die nach unten gerichtete Schwerkraft

Im Windkanal
Jeder, der einmal seine Hand aus einem fahrenden Auto hielt, hat die Grundprinzipien der Aerodynamik unmittelbar erfahren. Der durch das fahrende Auto erzeugte Luftstrom teilt sich an der Hand und bewegt sich entlang der Handoberfläche. Hält man die Finger in Fahrtrichtung und die Hand horizontal, kann man eine geringe Auftriebs- und Zugkraft wahrnehmen. Hebt man die Handfläche vorn leicht an, wird sie vom Fahrtwind nach oben gedrückt. Bei weiterer Drehung der Hand nach oben wird die Hand stärker nach hinten gedrückt, und die Auftriebskraft wird kleiner. Obwohl dies ein relativ einfaches Beispiel ist, die Gesetze der Aerodynamik zu erklären, wirken auf den Drachen am Himmel die gleichen Kräfte wie auf eine Hand, die man aus einem fahrenden Auto hält.

Ein Experiment
Führen Sie dieses einfache Experiment einmal selbst aus. Halten Sie ein DIN-A4-Blatt an den Ecken der kürzeren Seite zwischen Ihren Fingern fest und führen Sie die Kante nahe an Ihre Lippen. Wenn Sie gleichmäßig Luft an der Oberfläche entlang blasen, entsteht auf der Oberseite ein Vakuum, welches das Papier nach oben steigen läßt.
Damit haben Sie das Bernoullische Gesetz nachvollzogen. Diese einfache Gesetzmäßigkeit der Aerodynamik erklärt, warum Flugzeuge fliegen und Segelboote segeln. Der gewölbte Flügel eines Flugzeugs hat natürlich bessere Eigenschaften als Ihr Blatt Papier oder ein Drachen. Der Luftstrom muß entlang der gekrümmten Oberseite einen längeren Weg schneller zurücklegen als auf der Unterseite. Je größer der dadurch entstehende Unterdruck auf der Oberseite wird, desto stärker wirkt die Auftriebskraft. Analog dazu wird ein Segelboot in Diagonalrichtung zum Wind über das Wasser gezogen.
Die meisten Drachen fliegen ständig mit einem großen Anstellwinkel und damit im Vergleich zu einem Flugzeug in ungünstigen aerodynamischen Verhältnissen, die jedoch für einen Drachen, der seine Position halten soll, erforderlich sind. Eine Ausnahme ist der Parafoil - Drachen. Die Abb. 3 zeigt ein sogenanntes Airfoil und ein Parafoil. Das Parafoil entspricht in seiner Form dem gewölbten Flügel eines Flugzeugs. Mit einem kleinen Anstellwinkel erreicht es nach dem Bernoullischen Gesetz ein großes Auftrieb-Zug-Verhältnis, d.h. einen beträchtlichen Auftrieb mit minimalem Zug. Die meisten Drachen werden jedoch stärker nach vorn geschoben als nach oben gezogen - wie etwa bei dem Experiment mit dem Blatt Papier.
Das Bernoullische Gesetz spielt in der Praxis aber eher eine untergeordnete Rolle, obwohl es bei einigen Drachentypen,
die für kleine Anstellwinkel ausgelegt sind, Anwendung findet.

Die Auswirkungen warmer Luft
Drachen gewinnen auch durch die Wirkung von Aufwinden und der Thermik an Höhe. Aufwinde werden durch Luftströme erzeugt, die sich in der Nähe von Bergen und Klippen nach oben bewegen. Die Thermik entsteht durch aufsteigende warme Luftschichten, die sich an heißen Tagen über weitem und flachem Gelände bilden. Beispiele dafür sind Wüsten oder leere Parkplätze mit Teerbelag. Gleiter, Segelflugzeuge, hochfliegende Vögel und auch Drachen - vor allem Deltadrachen - können sich stundenlang in großen Höhen halten, indem sie die genannten Effekte ausnutzen

Der Ozean am Himmel
Die uns umgebende Luft läßt sich mit einem Ozean vergleichen, in dem es Strömungen, Wirbel und Widerstände gibt. Einen Drachen in die Luft emporsteigen zu lassen, ist nur der erste Schrift. Im Flug sind Drehungen um drei verschiedene Achsen möglich: das Rollen um die Längsachse, das Nicken um die Querachse und das seitliche Ausbrechen um die Hochachse. Alle drei Bewegungen müssen ständig reguliert werden, um den Drachen stabil in der Luft zu halten.

Stand : 26. Dezember 2001