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Vortrieb
Der Vortrieb ist in der Physik der Antriebstechnik und verwandter Themen wie der Biomechanik die effektive Kraft, die am Körper
oder am System in Bewegungsrichtung wirkt.
Negativer Vortrieb heißt Bremskraft.
Allgemein gilt: Antriebskraft - Widerstand
Grundlagen
An einen Körper greifen in Bewegung etliche Kräfte an. Nach den Gesetzen der Gleichgewichtsbedingungen der Mechanik müssen
sich diese aufheben. Die vier grundlegenden Kräfte der Antriebstechnik sind dabei:
 Der Vortrieb
 Der Widerstand
 Der Auftrieb
, im negativen Falle Bremskraft (braking force)
, (engl. drag)
, (engl. lift), im negativen Falle Abtrieb
 Das Gewicht (die Gewichtskraft)
, (engl. weight)
Je nachdem, wie die äußeren Kräfte am Fahrzeug, Flugobjekt, Schwimmkörper oder anderem angreifen, halten sich Auftrieb und
Gewicht die Waage oder führen zu einer Vertikalbewegung, und was vom Antrieb (engl. push, drive, impulsion, propulsion, u. a.)
nicht durch den Widerstand aufgehoben wird, bleibt als effektiver Vortrieb übrig, der das Fahrzeug in Fahrtrichtung beschleunigt
oder bremst.
In den meisten Fällen stehen die vier Grundkomponenten nicht orthogonal zueinander, und ihre jeweiligen Komponenten bilden
kompliziertere Summen. Im weiteren wird auf die Vektorschreibweise verzichtet, und mit F der Betrag des Vektors bezeichnet, die
jeweiligen Richtungen ergeben sich aus der Situation
Fahrzeugtechnik
Fahrzeugwiderstand, Zugwiderstand
Fahrzeuge sind zwei grundlegenden Widerständen ausgesetzt: Dem Luftwiderstand und dem Bodenwiderstand (Fahrbahn- bzw.
Streckenwiderstand, Wälzwiderstand der Räder).
Luftfahrt
In der Luftfahrt ist ausschließlich der Luftwiderstand von Bedeutung (außer bei Start und Landung). Im Flug liegen im allgemeinen
Bewegungsrichtung und Antriebskraft in einer Linie, und, weil die Anströmgeschwindigkeit primär von der Fluggeschwindigkeit
abhängt, auch der Widerstand am Rumpf. Der Luftwiderstand lässt sich in einen Formwiderstand, den parasitäreren Widerstand,
und einen induzierter Widerstand durch den Auftrieb trennen.
Bei Auftriebskörpern
Im einfachsten Falle eines Ballons fehlt die Antriebskraft, der Auftrieb wird durch Verdrängung (statischer Auftrieb) erzeugt, und der
Vortrieb ist dem Luftwiderstand exakt entgegengesetzt: Der Ballon fährt, wohin der Wind weht, und so schnell, wie schnell der Wind
weht (stabile Strömung vorausgesetzt), die Bewegung über Grund entsteht nur durch die Bewegung des Medium
FV = 0
Der Körper ist im Kräftegleichgewicht, wenn er auch nicht sinkt oder steigt. Auf eine Änderung der Windgeschwindigkeit reagiert ein
Ballon etwa
Bei einem Luftschiff wird der Auftrieb ebenfalls vom Auftriebskörper erzeugt. Für langsame Geschwindigkeiten errechnet sich der
Luftwiderstand nach dem linearen Widerstandsgesetz, ist also proportional zur Geschwindigkeit. Der Luftwiderstand eines
Luftschiffs ist weniger von seiner Spantfläche (Stirnfläche), sondern seinem Volumen V abhängig, also vom Verhältnis Länge zu
Durchmesser. Optimale Werte liegen bei
Propellergondeln minus Luftwiderstand.
. Der Vortrieb errechnet sich direkt aus der Antriebskraft an den
An der Tragfläche
Beim Fliegen mit Tragflächen ist der Auftrieb, den die Tragflächen erzeugen,
die entscheidende Größe. Der im Flügel angreifende Widerstand ist der
Gesamtwiderstand des Fluggeräts. Um den Widerstand des Rumpfwerks auf
den Flügel zu beziehen, in dem man das Kräftegleichgewicht ermittelt, führt
man eine schädliche Fläche ein, die der Fläche einer quadratischen Platte (mit
einem cW-Wert von 1,2) mit demselben Widerstand wie die
nichtauftrieberzeugenden Teile des Flugzeugs entspricht, und ist sich im
Druckpunkt der Profils montiert vorzustellen. Dieser Wert wird den Flügeln
einfach zugeschlagen.
Abb.: 1
Wichtigste Größe der Berechnung des Kräftegleichgewichts ist der
Anstellwinkel.
 Ein Segelflugzeug ist in einer von äußeren Kräften freien Gleichgewichtslage: Es „fällt“, aber nicht in (annähernd) freiem
Fall, sondern im Gleitflug entlang der Resultierenden der Kräfte Gewicht, Widerstand und Auftrieb (letztere Zwei
zusammen nennt man die Luftkraft). Dabei stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Fallgeschwindigkeit und
Fluggeschwindigkeit in Richtung des Vortriebs ein, das den Anstellwinkel bedingt, und damit den Vortrieb. Wie beim freien
Fall gibt es hier aber eine – gleitwinkelabhängige – Grenzgeschwindigkeit, in der der Luftwiderstand zu hoch wird, um noch
freien Vortrieb zu liefern.
γ: Gleitwinkel
c'w: Strömungswiderstandskoeffizient
c'a: Auftriebskoeffizent
eide letztere Werte sind nicht auf die Stirnfläche, sondern die Tragfläche des Flügels im Drehpunkt bezogen und vom Anstellwinkel
α abhängig. Sie sind für die Flügelgeometrie typisch und werden im Polardiagramm nach Otto Lilienthal angegeben.
 Bei propellergetriebenen Flugfahrzeugen entspricht die Lage einem Segelflug mit einer zusätzlichen Antriebskraft. Dabei
findet an den Rotorblättern derselbe physikalische Vorgang statt wie an den Flügeln, nur bildet hier der Auftrieb der
Rotorflächen den Antrieb (die Schraubkraft), und der Vortrieb am Rotorblatt ist eine hemmende Kraft, die über die
Entfernung von der Propellermittelachse vom Drehmoment des Motors überwunden werden muss. Die Schraubkraft, die
das Flugzeug vorwärts zieht (oder schiebt), setzt dann als zusätzlicher Kraftvektor am Drehpunkt an, und kann das
Flugobjekt über die Gleit-Grenzgeschwindigkeit hinaus beschleunigen.
Komplizierter sind die Verhältnisse im Kurvenflug, weil hier Gewichtskraft und Auftrieb nicht mehr in einer Linie stehen: Das
Flugzeug neigt sich, bis ein Gleichgewicht zwischen Gewicht, Auftrieb und geschwindigkeitsabhängiger Zentrifugalkraft erreicht sind.
Insgesamt ist der Auftrieb geringer, und darum für den Kurvenflug mehr Antrieb erforderlich. Ist die Geschwindigkeit zu niedrig,
„schmiert“ das Flugzeug seitlich zur Kurvenmitte ab.
Der Flugkörper ist bei dieser Rechnung aber noch nicht im Momentengleichgewicht, da der Gesamtwiderstand im Schwerpunkt des
Flugzeugs angreift, nicht in dem des Flügelprofils, und die Antriebskraft in der Triebwerksmittelachse. Das lässt sich nur durch die
Konstruktion der Maschine ausgleichen, und darum sind Hochdecker im antriebslosen Flug weniger stabil, weil das entstehende
Drehmoment das Flugzeug zum Sinkflug zieht. Bei modernen Maschinen gleichen sich die Momente der Triebwerksgondeln und des
Rumpfes um den Drehpunkt der Flügel aus.
Bei Strahltriebwerken
Bei Rückstoßantrieb nennt man die Antriebskraft den Schub (engl. propulsion).
 Für Düsenflugzeuge gelten dieselben aerodynamischen Verhältnisse wie für propellergetriebene Objekte. Bei großen
Verkehrsmaschinen wie auch bei schnellen Militärmaschinen spielt der Luftwiderstand des Rumpfwerks kaum mehr eine
Rolle.
Kurz vor Erreichen der Schallmauer steigt der Strömungswiderstandskoeffizient aber stark an, sinkt aber im Überschallflug wieder. In
diesen Bereichen ist die Machsche Kennzahl Ma = v / c (Geschwindigkeit durch Schallgeschwindigkeit) wichtiger Kennwert. Der cWWert steigt bei
auf teils mehrfache Werte an, und nähert sich für Ma > 2 wieder einem stabilen Wert an, der in der
Nähe des subsonaren Werts liegt.
 Raketen erzeugen keinen Auftrieb. Der Luftwiderstand erweist sich dann am geringsten, wenn die Rakete etwa die Form
eines langgestreckten Dreiecks hat, weil sie auf dem (sich auch seitlich ausdehnenden) Abgasstrahl „reitet“, und es keinen
Sogwiderstand am Heck gibt. Der Vortrieb ist nahezu exakt gleich dem Schub. Allfällige Flügel dienen meist nur als
Flugstabilisatoren, die verhindern, dass der Flugkörper um die Längsachse rotiert, oder zu trudeln beginnt.
Bei allen weiteren Berechnungen für Flugzeuge und insbesondere Raketen ist aber zu beachten, dass der Treibstoff einen Gut- bis
Großteil der Flugkörpermasse ausmacht, und daher die Masse nicht als Konstante angesehen werden kann.
 Bei Vortrieb im luftleeren Raum gibt es überhaupt keine Reibung mehr, hier gilt die ohne Einschränkung:
(Raketengrundgleichung)
vs: Strahlgeschwindigkeit des Triebwerks
Die Gewichtskraft wird aber nicht null, auch im Weltraum herrscht überall Gravitation. Schwerelosigkeit tritt nur bei einer stabilen
Umlaufbahn auf. Weitab von größeren Massen ist die Gravitationskraft aber so klein, dass sich fast nurmehr der Vortrieb auswirkt,
und sich durch Antrieb (also Beschleunigung der Raumflugkörpers) schwerkraftähnliche Verhältnisse erzeugen lassen (einfachste
„künstliche Schwerkraft“). Bei konstanter Geschwindigkeit herrscht annähernd Schwerelosigkeit im Raumfahrzeug.
Abb.: 1
Kräfte am Flügel im kräftelosen Flug:
1: Anstellwinkel
2: Bewegungsrichtung
3: Auftrieb
4: Luftwiderstand
5: Gewichtskraft
6: Vortrieb