Luftwiderstand

Apfel- und Blätterfall

Im Herbst fallen nicht nur die Äpfel sondern auch die Blätter von den Bäumen. Während die Äpfel – ja, die Birnen auch – ein berechenbares Beispiel für den freien Fall abgeben, lassen sich die Blätter dabei die schönsten Kapriolen einfallen und legen in ihren Abgang so etwas wie eine letzte Grazie. Isaac Newton hatte Glück, dass er sich von einem Apfel und nicht von einem Blatt zu seiner Mechanik inspirieren ließ, wer weiß, was sonst dabei herausgekommen wäre – eine poetische Mechanik?

El balanceo de las hojas al caer

H. Joachim Schlichting. Investigación y Ciencia Septiembre 2019  Curiosidades de la física

La manera en que fluye el aire alrededor de las hojas que caen de un árbol da lugar a varios patrones de movimiento recurrentes.

La elegancia que a menudo muestran las hojas cuando caen de un árbol no es casual. Dependiendo de las condiciones iniciales, su movimiento puede clasificarse en tres tipos básicos. [GETTY IMAGES/VIT-PLUS/ISTOCK]

A muchas personas les afecta emocionalmente la caída de las hojas en otoño, un espectáculo natural del que los poetas llevan hablando desde tiempos inmemoriales. Así, Edmond Rostand hizo que su Cyrano de Bergerac exclamara:
¡Qué bien caen! Cómo saben revestir de una belleza postrera ese trayecto tan corto de la rama a la tierra; y a pesar de su espanto por pudrirse en el suelo, ¡intentan que su caída tenga la gracia de un vuelo!
Este pasaje formula de manera poética la interesante observación —desde el punto de vista de la física— de que las hojas no solo se bambolean al azar mientras caen, sino que, a menudo, muestran movimientos regulares.
Si estudiamos el fenómeno con mayor detenimiento, podremos reconocer ciertas formas básicas que se distinguen especialmente bien cuando el viento está en calma. Aparte de la caída irregular y caótica, a menudo podemos encontrar tres patrones concretos.
El primero es la caída en posición horizontal, donde la hoja flota plana en el aire y solo se balancea ligeramente en torno a dicha posición. En segundo lugar tenemos la caída oscilante, en la que las hojas se mecen alternativamente a un lado y a otro de manera bastante regular. Y por último podremos observar la caída rotatoria, caracterizada por un movimiento en el que la hoja gira sobre sí misma y experimenta una notable desviación lateral (véase la figura 1).

Flujos de aire
Para esbozar una explicación, podemos simplificar e imaginarnos que la gravedad actúa sobre el centro de masas de la hoja. La velocidad de esta aumentaría de modo constante debido a la aceleración de la gravedad si no fuera por la fuerza de resistencia del aire, que aumenta con el cuadrado de la velocidad y es proporcional al área de la sección transversal expuesta al aire incidente…

PDF: El balanceo de las hojas al caer

Schwimmen in der Luft

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 4 (2019) S. 48 – 49

Eine Welt in einem Sandkorn zu sehn
und einen Himmel in einer wilden Blume

William Blake (1757-1827)

Die Samen des Löwenzahns hängen nicht an flächigen Flügeln, sondern bloß an einem filigranen Faserskelett. Doch gerade das lässt sie langsam und stabil durch die Luft gleiten.

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Wenn Laub sich abwärts wiegt

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2018), S. 68 – 69

Die Luft umströmt fallende Blätter auf charakteristische Weise. Darum wiederholen sich auf dem Weg zum Boden oft einige typische Bewegungsfiguren.

Ein unabsehbar Blättermeer
entperlt dem Netz der Zweige

Christian Morgenstern (1871–1914) Weiterlesen →

Winzige Tröpfchen ganz groß

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaften 7 (2018), S. 62 – 63

Kleinste Flüssigkeitskugeln entstehen von selbst,
wenn man ihnen nur auf die richtige Weise Energie
zur Verfügung stellt.

Der Sturm fängt das aufsprühende Wasser
auf und treibt es in breiten Nebelgardinen an
der Flutlinie entlang
Harry Mulisch (1927 – 2010) Weiterlesen →

Das vergebliche Flattern des Vogels im luftleeren Raum

„Die leichte Taube, indem sie im freien Fluge die Luft teilt, deren Widerstand sie fühlt, könnte die Vorstellung fassen, daß es ihr im luftleeren Raum noch viel besser gelingen werde. Ebenso verließ Plato die Sinnenwelt, weil sie dem Verstande so enge Grenzen setzt, und wagt sich jenseits derselben, auf den Flügeln der Ideen, in den leeren Raum des reinen Verstandes. Er bemerkte nicht, daß er durch seine Bemühungen keinen Weg gewönne, denn er hatte keinen Widerhalt, gleichsam zur Unterlage, worauf er sich steifen, und woran er seine Kräfte anwenden konnte, um den Verstand von der Stelle zu bringen“ (Immanuel Kant: Kritik der reinen Vernunft). Weiterlesen →

Ikarus‘ Traum und die aerodynamische Wirklichkeit

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 35/5, 7 (1986).

,,Der Mensch ist kein Vogel / es wird nie ein Mensch fliegen“ läßt Brecht (1967) den Bischof in seinem Gedicht ,,Der Schneider von Ulm“ sagen. Diese Aussage ist auch heute noch richtig – jedenfalls, wenn man den Flug aus eigenem Antrieb meint. Wir wollen im folgenden die physikalischen Gründe hierfür erörtern und dabei ein einfaches Modell für den Vogelflug diskutieren. Insbesondere soll untersucht werden, wie es den Fliegern gelingt, die jede Bewegung hemmende Luft sozusagen zur Voraussetzung des Fliegens zu machen. Dabei geht es insbesondere um die Frage, warum dieses kleinen Tieren leichter gelingt als großen und welche physikalischen Prinzipien dafür  verantwortlich sind, daß ab einer bestimmten Größe Fliegen aus eigenem Antrieb nicht mehr möglich ist. Mit der Absicht einer möglichst einfachen Darstellung werden wir von den Details der Vo rtrieberzeugung durch Flügelschlag absehen, die für den Vogelflug zwar wichtig, für ein prinzipielles Verständnis des Fliegens aber entbehrlich sind. Damit können wir den Auftriebsmechanismus getrennt vom Vortriebsmechanismus behandeln und
von ähnlichen einfachen Verhältnissen wie beim Flugzeug ausgehen, welches gleichsam als Modell für ein fliegendes Tier angesehen werden kann.

PDF: Ikarus Traum und die aerodynamische Wirklichkeit

Untersuchungen zur Energetik des Fahrrads

Schlichting, H. Joachim; Nobbe, Reinhold. In: technic-didact 8/4, 225 (1983).

Die folgenden Ausführungen sind als Fortsetzung des in dieser Zeitschrift erschienenen Artikels „Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads“ /3/ zu verstehen. Eines der wesentlichen Ergebnisse dieses Beitrages bestand darin, daß unter den gegebenen Bedingungen die Rollreibung nur bei niedrigen Geschwindigkeiten einen größeren Einfluß auf die aufzubringende Leistung hat. Bei einer Geschwindigkeit von 13,5 km/h sind Rollreibung und Luftwiderstand gleich groß. Bei höheren Geschwindigkeiten dominiert der Luftwiderstand /vgl. 3; Bild 3/. Beispielsweise hat die Rollreibung bereits bei 30 km/h mit einer Leistung von 29 W nur noch einen Anteil von 17 %an der
Gesamtleistung von 174 W. Es ist daher von großem Interesse, die Einflüsse auf den Luftwiderstand näher zu untersuchen.

Dazu soll im folgenden Abschnitt 2 zunächst die Wirkung des Windes auf den Radfahrer in einigen ausgewählten Situationen betrachtet werden. Anschließend werden in Kapitel 3 Möglichkeiten des Radfahrers angesprochen, den
Luftwiderstand von sich aus zu beeinflussen. In Abschnitt 4 sollen schließlich die Beschränkung der ebenen Fahrbahn fallengelassen und Steigungen
bzw. Gefälle berücksichtigt werden. In dem abschließenden Kapitel 5 sollen Meßergebnisse, die um die Jahrhundertwende erhoben wurden, mit den
unsrigen verglichen und interpretiert werden.

PDF: Untersuchungen_Energetik_Fahrrad