Messung des Auftriebs beim Modelflugzeug: 9

Theorie:
Schwerpunkt, Bewegung und Kraft
Ein Flugzeug kann weitgehend wie ein beliebiger starrer Körper betrachtet werden. Für seine
Bewegung und die angreifenden Kräfte spielt der Schwerpunkt eine zentrale Rolle (markiert
beim Hammer rechts mit dem Kreuz):
Alle Bewegungen können beschrieben werden als Fortbewegung des starren Körpers als
Ganzes (Translation) plus Rotation des Körpers um sich selbst. Die Rotation findet dabei
immer um den Schwerpunkt statt.
Entsprechendes gilt für am Körper angreifende Kräfte aller Art. Kräfte, die eine Rotation des
Körpers bewirken, heißen Drehmoment.
Kräfte, die nicht direkt am Schwerpunkt (F1) angreifen, üben ein Drehmoment auf den
Körper aus, dessen Größe bestimmt ist von der Größe der Kraft mal dem senkrechten Abstand
des Schwerpunktes vom Angriffspunkt der Kraft (Hebelarm, schwarz gestrichelt). Besonders
die Schwerkraft (grün) übt kein Drehmoment auf den Körper aus.
Ein starrer Körper hat also 6 sog. Freiheitsgrade (Unabhängige) der Bewegung: 3 Richtungen
im Raum (Translation) und 3 Drehachsen (Rotation). Die jeweiligen 3 Raumrichtungen und
Drehachsen sind weitgehend beliebig, dürfen nur nicht in einer Ebene liegen. Meist wählt
man sie so, dass sie senkrecht aufeinander stehen.
Am Körper angreifende Kräfte (schwarzer Pfeil rechts) bewirken im Allgemeinen Beides:
eine Rotation und eine Translation. Kenntlich wird dies durch Aufspalten der Kraft in ein
Kräftepaar, welches reine Rotation auslöst (grün) und eine im Schwerpunkt angreifende Kraft,
die nur Translation bewirkt (blau).
Tragflügel und Leitwerke
Tragflügel, Seiten- und Höhenleitwerk aber auch Propeller sind Flächen, die beim Fliegen
von Luft umströmt werden und dadurch Auftrieb, Steuerung und Antrieb sind. Alle Flächen
tun dies nach dem gleichen Prinzip: Eine schräg in die Strömung gestellte Fläche (rechts)
lenkt die Strömung ab, übt somit eine Kraft auf die Strömung aus. Die Gegenkraft hierzu ist
dann je nach Aufgabe der Fläche der Auftrieb, Drehmoment zum Steuern oder der Antrieb.
(Mehr zum Auftrieb)
Der Kräfte der Strömung am Flügel sind nicht gleichmäßig über die Fläche verteilt
(Kraftfeld), können aber immer und ohne Einschränkung auf physikalische Eigenschaften des
Flugzeugs durch einen einzigen Kraftvektor, dem Druckpunkt (DP, im Englischen besser
"centre of pressure") genannt (rot), beschrieben werden. Dies ist ganz analog zum
Schwerpunkt und seiner Eigenschaften eines beliebigen starren Körpers. Am DP übt die
Strömung insbesondere kein Drehmoment auf den Flügel aus.
Im Folgenden wird angenommen, dass diese Kraft proportional zum Anstellwinkel ist, was
für die meisten Flügelprofile bei kleinen Winkeln gut erfüllt ist, wenn als Anstellwinkel die
Differenz vom aktuellen Anstellwinkel zum Anstellwinkel ohne Auftrieb genommen wird.
Außerdem wird angenommen, dis Lage des DP sei konstant, insbesondere bei
Anstellwinkeländerungen. Diese Annahme ist bei allen symmetrischen Profilen auch erfüllt,
gilt jedoch nicht bei asymmetrischen Flächen (siehe Neutralpunkt).
Im Rahmen dieser Seite bleibt unberücksichtigt, dass es aus aerodynamischen Gründen
vorteilhaft ist die Flächen derart zu profilieren, dass die Umlenkung der Strömung möglichst
widerstandsarm erfolgt. Dies betrifft im Modellbau im Wesentlichen den Tragflügel, welcher
das gesamte Flugzeuggewicht aufnimmt, und den Propeller beim Motorflugzeug. Die
Leitwerke sind meist als "geknickte Platte", Dämpfungsfläche und Ruder jeweils eine "ebene
Platte", ausgeführt (bei "besseren" Segelflugzeugen nicht mehr).
Messung des Auftriebs beim Modelflugzeug:
9.2.06
Idee: Kräfte misst man mit Federn, daher versuchten wir die Auftriebskraft
mit Federwaagen zu messen.
Aufbau: siehe Skizze
Wir befestigten an 4 Stellen Fäden. An diese Fäden hängten wir Die Federwaagen.
Das Stativ bot den nötigen Halt.
Wir stellten die Waagen auf Null ein.
Messung: Trotz maximaller Leistung der Motoren, zeigt sich kein Auftrieb.
Messung des Schubs:
Idee: Kräfte misst man mit Federn, daher versuchten wir den Schub
mit Federwaagen zu messen.
Aufbau: siehe Skizze
Wir befestigten an 2 Stellen Fäden. An diese Fäden hängten wir Die Federwaagen.
Das Stativ bot den nötigen Halt.
Wir stellten die Waagen auf Null ein.
Messung: Die beiden Federwaagen zeigten je 1 N an. (10g Eigengewicht)
Idee: Mit einem Föhn einen Luftstrom zu erzeugen, welcher dem Flugzeug
genug Auftrieb gab
siehe Aerodynamisches Prinzip
Auswertung: Die Motoren entwickeln eine Kraft von 2 N (Vektoren sind //)
Messung der Masse: mit einer exakten Waage  23,5 g
Nach einer Wendung: Keine Änderung
2. Messung: Wir dreht das Modell um 180°; keine Veränderung
m.g–F=k.x
10:1000 . 10 = k . ∆x / x
Problem: Obwohl wir eine Bewegung nach vorne feststellten, lies sich das
Gewicht
dennoch nicht messen.
Lösung: Unsere Messmethode ist zu Ungenau/ eine stillstehendes Flugzeug kann nicht
fliegen.
Versuch: Geschwindigkeitsmessung mit dem V200 und dem CPR
Idee: Geschwindigkeit eines Papierflugzeuges zu messen.
Problem:
Die Bahn des Fliegers ist kaum zu kontrollieren und daher unmöglich mit dem Messgerät zu
verfolgen. Wahrscheinlich ist auch das Messgerät zu ungenau.
Lösung: wir müssen uns eine anderen weg suchen