26 13 Der Luftwiderstand Hast du dich schon einmal gegen einen Sturm vorwärts gekämpft? Man hat dabei das Gefühl, dass sich die Luft vor dem Körper staut. Die Bahnen der Luftströmung werden Stromlinien genannt. Sie dienen zur Darstellung und Berechnung von Strömungen. Die Abb. 13.1 zeigt Stromlinienbilder eines Tennisballs und die Umströmung eines Autos im Windkanal. Mit Rauch kann die Strömung der Luft um das Auto sichtbar gemacht werden. Jeder Körper, der von Luft umströmt wird, setzt ihr einen Widerstand entgegen. Diese Kraft wird Luftwiderstand (air resistance) genannt. Er macht sich auch bemerkbar, wenn ein Körper durch die Luft bewegt wird. Für seine Entstehung gibt es mehrere Ursachen: Auf der Vorderseite eines Körpers bewirkt der Luftstrom einen Stau. Die Luftwirbel auf der Rückseite verursachen eine Saugwirkung in die entgegengesetzte Richtung (Sog) und ziehen so den Körper zurück. Eine besondere Rolle spielt die Form des Körpers. Versuch: Befestige die in Abb. 13.2 gezeigten Körper der Reihe nach auf einer speziellen Waage und richte gegen sie einen Luftstrom: Mit der Waage werden die von der strömenden Luft ausgeübten Kräfte gemessen. Ordne die Körper nach der Größe ihres Luftwiderstandes! Wie du siehst, hängt der Luftwiderstand sehr von der Form der Körper ab. Er ist z. B. für einen stromlinienförmigen Körper sehr klein, denn die Wirbelbildung ist bei ihm sehr gering (Abb. 13.3). Beachte dazu Vorbilder in der Natur und Anwendungen in der Technik (Vögel, Fische, Flugzeuge). Am größten ist der Luftwiderstand hinter einem offenen Halbkugelkörper (Fallschirm, Abb. 13.4) oder einer Platte. Der Luftwiderstand nimmt mit der Größe der Querschnittsfläche des Körpers und mit der Geschwindigkeit des Luftstroms zu. Bei doppelter Geschwindigkeit ist der Luftwiderstand mindestens viermal so groß. In der Praxis wird im Windkanal ein Luftstrom gegen den Körper gerichtet und sein Luftwiderstand bestimmt. So können Autos mit möglichst kleinem Luftwiderstand gebaut werden, die auch bei hohen Geschwindigkeiten einen niedrigen Treibstoffverbrauch haben. Auch die günstigste Hockhaltung eines Abfahrtsläufers kann so ermittelt werden. Raumkapseln benötigen für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre einen Hitzeschild, damit sie durch die Luftreibung nicht verglühen. Du bist dran – zeige deine Kompetenz: 13.1 Wie kann man den Luftwiderstand von Fahrzeugen verringern? 13.2 Wie kannst du den Luftwiderstand beim Radfahren verkleinern? Kann man Luft spüren? 13.1 Stromlinienbilder eines fliegenden Tennisballs und eines Autos 13.2 Versuchsanordnung zur Messung des Luftwiderstandes. 13.3 Hat der Körper Stromlinienform, kann die Strömung ohne Wirbelbildung abfließen. 13.4 Fallschirmspringer Der Luftwiderstand nimmt mit der Strömungsgeschwindigkeit und mit der Querschnittsfläche des Körpers zu. Er hängt außerdem von der Form des Körpers ab. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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