Unmöglich
In diesem Bild bei B ist der ´Magnus-Effekt´ skizziert: es wird nicht nur der Wasserstrahl unterhalb der gekrümmten Fläche abgelenkt (hier nach rechts), sondern der runde Körper in den Strahl hinein gezogen (nach links), sogar so weit dass der Wasserstrahl zuerst nach links umgelenkt wird. Die höchst erstaunliche Kraft ist leicht festzustellen, indem ein Löffel unter den Wasserhahn gehalten wird. Der atmosphärische Druck ist ein Kilogramm auf jeden Quadratzentimeter - und hier wird diese Kraft durch den Wasserstrahl vom Löffel abgehalten (genauso wie der Wasserstrahl selbst wieder durch einen begleitenden Luftstrom geschützt wird).
Paradox
Als Ursache dieses ´Fehlverhaltens´ wird genannt, dass reale Fluide keine ´ideale´ Gase sind, d.h. letztlich doch kompressibel sind, Kollisionen nicht vollkommen elastisch erfolgen, also Druck nicht verlustfrei weiter gegeben wird. Das gilt für feste Körper in Wasser oder Luft ganz gewiss - aber warum bewegen sich dann alle Atome oder Moleküle eines Gases offensichtlich verlustfrei? Als Antwort kommen nur in Frage: 1. weil sich diese Teilchen widerstandslos durch reines Nichts hindurch bewegen - wobei paradox für mich bleibt, wie irgendein Etwas an seiner äußeren Grenze sich nicht augenblicklich ´in Nichts hinein auflösen´ sollte. 2. weil ´materielle Teilchen´ sich in einem wirklich idealen Gas bewegen - und null-Kompression und null-Energie-Verlust nur gegeben sein kann in einem absolut lückenlosen Medium (aber diese Eigenschaft des Äthers nimmt mir noch immer keiner ab, vielleicht nach wiederholter Beschreibung im nächsten Teil).
Unglaublich
Diese Fähigkeiten sind bekannt seit es ´Jäger und Angler´ gibt und jeder kann dieses ´Phänomen´ kennen seit mindestens einem dreiviertel Jahrhundert, als Viktor Schauberger diesen Sachverhalt exakt beschrieb und einen ´Forellen-Motor´ entwickelte (aber wohl nicht ganz zum Laufen brachte). Für mich ist wirklich phänomenal, wie gelassen Physik (hier besonders Bionik) diese ´paradoxe´ Erscheinung außer Acht lässt anstatt zum Kern ihrer Forschungen zu machen, mit allen zur Verfügung stehenden Resourcen. Also mache ich mich auf, mit primitiven ´Bordmitteln´ einige Lösungsansätze aufzuzeigen.
Geschwindigkeit, Druck und Sog
Abhängig von der jeweiligen Geschwindigkeit lastet Druck auf der Oberfläche des Zylinders. Vorn am Staupunkt B existiert der Staudruck P1 (rot), im Quadrat korrelierend zur Grund-Geschwindigkeit. Weiter zur Seite weist das Wasser zunehmende Strömung auf, der statische Druck nimmt also nach außen hin ab. Die schnellste Geschwindigkeit herrscht seitlich am Zylinder, so dass dort Sogwirkung (blau) auftritt, jeweils radial zum Mittelpunkt es Zylinders, z.B. bei Punkt F in der Größenordnung P-3.
Bei ´unter-kritischer´ Geschwindigkeit sind der Strömungsverlauf und damit auch die Druckverhältnisse symmetrisch (wie hier skizziert), so dass z.B. auch hinten bei E wieder entsprechender Staudruck gegeben ist. Theoretisch würde dieser Zylinder fast (und eine Kugel vollkommen) widerstandsfrei in der Strömung stehen können. Sobald jedoch die Strömung kritische Geschwindigkeit erreicht, fließt Wasser hinten nicht mehr schnell genug zusammen, kann sich also nicht mehr aufstauen, der achterliche Vorwärts-Druck schlägt um in Rückwärts-Sog.
Motorische Umleitung
In Bild 05.09.04 ist ein solch strömungsgünstiger Körper A (grau) schematisch dargestellt, z.B. der Rumpf eines Flugzeugs aus vorigem Kapitel. Er bewegt sich durch ruhende Luft nach links, so dass Staudruck B (rot) an seiner Frontseite entsteht. Seitlich davon herrscht beschleunigte Strömung und damit geringerer statischer Druck bzw. dieser Sog D, bis hin zum Ende C. Nach links weisender Sog ist blau, nach rechts (gegen die Bewegung) gerichteter Sog ist rot markiert.
Unvermeidlich dagegen sind die nach rückwärts gerichteten Sogkräfte (rot), welche rechts mit ihren Komponenten gegen die Bewegungsrichtung dargestellt sind. Egal wie lang der Rumpf nach hinten gestreckt wird, das ´Fest-Saugen´ kann nicht auf null reduziert werden. Der eigentliche Widerstand eines strömungsgünstigen Körpers ergibt sich also nicht primär aus dem Staudruck am Bug, sondern durch Sog am Heck.
Aus meinen frühen Arbeiten zur Fluid-Technologie ist in diesem Bild 05.09.04 unten der Querschnitt eines Schiffrumpfes E (grau) skizziert. Der Staudruck am Bug F sollte abgebaut werden, indem Wasser (rot) durch Kanäle G nach außen gefördert wird mittels Propeller (dunkelrot). Auch am Heck könnten entsprechende Kanäle installiert sein, um das achterliche Festsaugen zu eliminieren. Dieses Schiff würde sehr gut zu manövrieren sein - aber diese Technik wäre nur einsetzbar unter ´ruhigen Bedingungen´ z.B. auf Binnengewässer.
Analog dazu habe ich z.B. vorgeschlagen, die Luft am Bug von Flugzeugen abzusaugen in den Einlass der Triebwerke und deren Auslass über den Tragflächen zu installieren. Gewiss würden diese Maßnahme den Widerstand reduzieren, aber die wirkliche Lösung muss eine andere sein - weil Forellen den Strömungswiderstand offensichtlich ohne motorische Leistung auf Null bringen bzw. sogar Vortrieb relativ zur Strömung erreichen.
Mechanischer Zug
Alternativ dazu soll die untere Hälfte dieser Hohlkugel (gelb) aus elastischem Material bestehen. Von hinten bei F drückt auf diesen ´Ballon´ wiederum normaler Körperdruck, nach seitlich-vorn G jedoch würde diese elastische Wand zum Sog hin ausgebeult (wie z.B. die Plane bei Lastwagen). Diese Dehnung bewirkt Zug an den Befestigungspunkten, hier also beim Maul quer zur Strömung und an der Seite H in Vorwärtsrichtung. Stehen darum Forellen so ´elegant´ in der Strömung? Und ergänzende Frage an Fachleute: wirken diese Zugkräfte nicht auch analog beim stabilen Material der oberen Hälfte?
Coanda plus Magnus
Der Staudruck B dringt durch das Maul in den Körper ein. Der Rand des Mauls C ist gerundet, so dass (gemäß Coanda) die Strömung D zur Seite hin umgelenkt wird. Diese Querströmung fließt anschließend entlang einer wiederum gerundeten Oberfläche E, so dass die Strömung F nach außen-hinten umgelenkt wird. Diese mündet durch Schlitze in die Strömung entlang der Außenseite bzw. wird sogar nach außen gesaugt.
Der Staudruck wirkt im Innern damit nicht mehr nur als ´ruhendes´ Wasser. Aus diesem Bereich hoher Dichte wird vielmehr Strömung produziert, welche unterstützt wird durch den Sog am Auslass dieses ´Kanals´. Durch geschickte Führung werden Strömungen unterschiedlicher Geschwindigkeit organisiert und aus diesen Differenzen wird Kraft in Vorwärtsrichtung generiert.
Multiplikation effektiver Fläche
Fische haben Kiemen seitlich innen im Kopf, durch welche sie den im Wasser gelösten Sauerstoff aufnehmen (und anschließend dieses Wasser seitlich durch Schlitze abfließt). Generell müssen Kiemen (analog zu Lungen) große Oberfläche z.B. durch baumartige Verzweigungen aufweisen. Ich hab noch nie einem lebendigen Fisch ins Maul geschaut, bin aber ziemlich sicher, dass die spezielle Fähigkeit der Bachforellen und Lachse auf einer speziellen Form ihrer Kiemen basiert (wie auch Viktor Schauberger vermutete).
Im Prinzip werden diese Kiemen-Bäume und -Äste an ihrer vorderen Seite jeweils relativ glatte Oberfläche aufweisen, während nach hinten eine unebene Oberfläche gegeben ist, z.B. wie hier durch Ästchen oder ´Haare´ skizziert ist. Entlang der glatten Vorderseite herrscht schnelle Strömung, während jeweils an der Hinterseite vielfache Turbulenz mit entsprechend hohem statischen Druck existiert. Aus Druck-Differenz resultiert ´Sog´ in Vorwärtsrichtung (hier jeweils blau markiert). Vermutlich sind Kiemen dieser Grund-Struktur fraktal aufgebaut, so dass im gegebenen Raum diese Sog-Komponenten an sehr großer Gesamtfläche wirksam werden.
Lebewesen sind aus Material nahezu beliebiger Elastizität aufgebaut und darum sind erfolgreiche Prinzipien der Natur oft nur schwer zu erkennen und nur selten durch völlig identische Technik zu imitieren. Das Grundprinzip der Forellen zur Egalisierung des Strömungswiderstands und Generierung von Vortrieb scheint mir eindeutig: Multiplikation der einer Strömung ausgesetzten Fläche und Organisation interner Strömungen dergestalt, dass jeweils an Vorderseiten höhere Geschwindigkeit als an Hinterseiten existiert. Dieses Prinzip lässt sich gewiss in vielfältiger Weise technisch nachbilden.
Prinzipien technischer Umsetzung
Im vorigen Kapitel wurde breite Form von Rümpfen, quer zur Bewegungsrichtung, als vorteilhaft bezeichnet. Bei rundem Rumpf würden die Kanäle radial auseinander laufen, also immer breiter werden. Bei diesem Segment (links) eines breiten Rumpfes behalten die Kanäle (z.B. zwischen zwei Spanten) immer gleiche Breite, so dass der Staudruck bzw. die daraus resultierende Strömung gleichförmig zu verwerten ist.
Bei E ist eine Konstruktion dargestellt, wie sie im Kapitel 05.06. ´Sog-Windrad´ schon vorgeschlagen wurde: an der Rückseite sind Bleche installiert, waagrecht und senkrecht, versehen mit Löchern, so dass Luft entlang der Oberfläche nicht ungehindert fließen kann. Durch die langsame Strömung bzw. Turbulenzen lastet relativ hoher Druck auf dieser Oberfläche (und schieb damit das Flugzeug nach vorn). Diese Technik verlangt vermutlich großen Abstand zur nächsten Vorderseite, so dass sie hier nicht optimal sein dürfte.
Bei F ist eine Konstruktion dargestellt, die vorigen ´Kiemen-Haaren´ nahe kommt: die gesamte Rückseite ist wie ein ´Nagelbrett´ gestaltet, d.h. viele runde Stifte ragen aus der Oberfläche heraus, so dass Luft sich dort sehr wohl bewegen kann, jedoch nur langsam und turbulent. Vermutlich wären elastische Elemente (wie langhaarig rauher Pelz oder Gefieder) sehr geeignet, um hohen statischen Druck an den Rückseiten der Kanäle zu erreichen.
Bei G ist eine technisch einfachere Konstruktion skizziert, indem diese Rückseite wellenförmig gestaltet ist. Darüber hinweg streichende Luft kommt nicht in gleichförmig laminare Strömung, sondern wird immer wieder Turbulenz aufweisen. In jedem Fall also müssen die Vorderseiten der Kanäle möglichst glatte Oberflächen aufweisen, während die Rückseiten strömungs-hemmend beschaffen sein müssen.
Dellen und glatte Flächen
Rechts daneben ist ein Querschnitt dargestellt und es sind vier Wände W zwischen der Rumpf-Vorderseite D und der Rumpf-Innenwand A eingezeichnet. Jede Rückseite weist dieses Dellen-Muster auf (auch die rechte Seite der Rumpf-Außenwand), während jede Vorderseite glatt ist (auch die linke Seite der Rumpf-Innenwand). Entlang der glatten Oberfläche kann Strömung ungehindert fließen, so dass sich jeweils Sog ergibt (blau markiert) bzw. die Differenz statischen Drucks das Flugzeug nach vorn schiebt.
Rechts davon ist dieser Querschnitt noch einmal skizziert, wobei das gesamte ´Sandwich´ dieser Wände gekrümmt ist entsprechend zur Kontur der Rumpf-Außenseite. Durch die einzelnen Kanäle soll somit Strömung fließen, die an beiden Oberflächen vollkommen unterschiedlichen Charakter hat. Die laminare Strömung an den Vorderseiten kann aber nicht unbegrenzt erhalten bleiben, sondern wird nach einer Distanz von etwa zehn- bis fünfzehn mal der Breite des Kanals ebenfalls turbulent werden. Darum ist hier die Länge der ´Sandwich-Blöcke´ begrenzt und vor dem nächsten Block ein freier Zwischenraum eingezeichnet.
Rillen längs und quer
An den Rückseiten herrscht turbulente Strömung, weil die Querrillen keine kontinuierliche Bewegung zulassen. An den Vorderseiten dagegen wird die Strömung besonders gut fließen, weil die Längsrillen gegen seitliche Störung schützen (wie man auch an Tragflächen mit kleinen Längsrillen feststellen konnte). Allerdings sollten auch diese Kanalblöcke nur begrenzte Länge und Abstand zum folgenden Block aufweisen, so dass sich das günstige Strömungsmuster immer wieder neu bilden kann. Prinzipiell wird laminare Strömung an gekrümmten Oberflächen länger anliegen, so dass gekrümmte Sandwich-Blöcke etwas länger sein können (wobei natürlich die Krümmung immer aus der Strömungsrichtung zurück weichen muss).
Anordnungs-Beispiel
Unten in dieser Darstellung ist skizziert, dass der Staudruck auch weiter in den Rumpf hinein zu führen ist, so dass Kanäle bzw. Sandwich-Blöcke E auch seitlich nebeneinander anzuordnen sind. In jedem Fall herrscht in diesem Einlassbereich erhöhter Druck bzw. relativ hohe Dichte, aus welcher Luft zur Seite hin in die Kanäle gedrückt wird. Der Einlass der Kanäle ist gestaffelt angeordnet. An jeder vorspringenden Fläche lastet aber nicht der volle Staudruck, weil dieser auch dort schon durch diese Querströmung reduziert ist.
Zur Vergrößerung der wirksamen Fläche sind diverse Möglichkeiten geboten. Theoretisch müsste diese Technik auch mit Rillentiefe und Wandabständen in Mikrometern funktionieren, praktisch wie poröse Keramik mit geordneter Struktur. Andererseits wird auch Luft unter Druck relativ ´dickflüssig´ und Schmutzpartikel in der Luft würden auch Kanäle im Bereich von Zehntelmillimeter verstopfen. Eine praktikable Größenordnung wird also im Bereich von Millimeter bis einigen Zentimetern liegen.
Daten-Beispiel
Es wird unterstellt, dass an den quer-gerippten Rückseiten eine Geschwindigkeit von nur 13 m/s anliegt, an den längs-gerippten Vorderseiten dagegen 17 m/s (V 13 bzw. V 17). Die Differenz der kinetischen Energie beider ´Teilströme´ ergibt rund 60 kg/ms^2 (P 60) und entsprechend dazu verhalten sich die statischen Drücke bzw. deren Differenz an Rück- und Vorderwand.
Es sind hier sechs Kanäle (K 6, rote Linien) angelegt, wobei eine Wand etwa 1 cm und der Abstand zwischen den Wänden etwa 4 cm breit sind. Der Einlass in die Kanäle insgesamt ist damit rund 25 cm (E 0.25) und das Bauelement insgesamt etwa 30 cm (B 0.3) breit. Der Rumpf soll etwa 3 m hoch sein (H 3.0, grau), die effektiv nutzbare Höhe der Sandwich-Blöcke aber nur halb so hoch (H 1.5). Ein Rumpf-Segment von 1 m Breite ergibt somit 6 mal 1.5 gleich etwa 9 m^2 effektive Fläche (F 9). Auf diese Gesamtfläche wirken nun obige 60 mal 9 gleich etwa 540 kgm/s^2 als Vortriebs-Beschleunigungskraft.
In der unteren Hälfte dieser Darstellung sind Daten der Flugphase beispielhaft angeführt. Die Reisegeschwindigkeit ist 720 km/h bzw. 200 m/s (V 200). Von der angestauten Luft sollen aber nur Teilmengen mit etwa 50 m/s (V 50) in den Einlassbereich eindringen (der Rest ist erforderlich für die Umlenkung der Luft außen entlang des Bugs). In den Kanälen selbst wird mit nochmals geringerer Geschwindigkeit von nur 25 m/s (V 25) gerechnet. Wenn wiederum die Strömungen an Rück- und Vorderseite der Kanäle nur um +/- 2 m/s differieren, also 23 m/s bzw. 27 m/s (V 23 und V 27) aufweisen, ergibt sich eine Druckdifferenz von nun 100 kg/ms^2 (P 100). Bezogen auf obige 9 m^2 Gesamtfläche ergibt sich Beschleunigungskraft von rund 900 kgm/s^2.
In vorigem Kapitel wurde breite und flache Rumpfform empfohlen, beispielsweise könnte dieser nur 3 m hohe Rumpf 6 oder 10 oder auch 20 m breit sein. Natürlich muss dieses Flugzeug beim Start motorisch beschleunigt werden, aber schon bei etwa 100 km/h würde je Segment von 1 m Breite zusätzlicher Schub von etwa einer halben Tonne aufkommen, der überproportional anwächst bei höheren Geschwindigkeiten. Das Flugzeug wird ohne motorischen Antrieb von sich aus bis zur Schallgeschwindigkeit beschleunigen (aber nicht darüber hinaus), minus des Widerstands an ´unproduktiven´ Flächen und sonstiger Reibung.
Natur und Technik
Das ist nur möglich, wenn der Staudruck an großer Fläche in Vortrieb umgesetzt wird. Bei obigem Beispiel von 3 m Rumpfhöhe ist z.B. unterstellt, dass der Einlass 0.3 m hoch ist (H 0.3), je 1 m breitem Segment also nur 0.3 m^2 aufweist - und dessen Staudruck auf 30-fach größeren Fläche obiger 9 m^2 in Vortriebskraft umgesetzt wird.
Alle Fachleute sind eingeladen, entsprechende Berechnungen anzustellen. Natürlich wird die Realität vollkommen andere Daten liefern, weil z.B. Durchsatz und Geschwindigkeiten, Drücke und wirksame Kraft-Komponenten abhängig sind von der Gestaltung der Vorder- und Rückseiten sowie des Abstands dazwischen, ebenso der Länge der Sandwich-Blöcke und des Abstands dazwischen. Insofern liefern obige grobe Berechnungen nur erste Hinweise darauf, dass diese Technik sehr interessant sein wird. Forellen beherrschen diese Technik, die ihnen durch ´glückliche Mutation´ zugefallen sein wird. Fachleute der Strömungstechnik dagegen müssen optimale Lösungen hart erarbeiten, andererseits können sie bewusst Entwicklung betreiben und unter vielen Möglichkeiten auswählen.
Andere Anwendungsmöglichkeiten
Bei B wird diese Stau-Strömung im Innern der Tragfläche durch mehrere Düsen geführt, deren eine Seite eine plane Fläche und die andere eine gerundete Fläche darstellen - und sich die Frage ergibt, welche Kräfte dabei wirksam werden. Aber diese Lösung dürfte nicht optimal sein, schlicht weil nur in begrenztem Umfang zusätzlich wirksame Fläche eingesetzt wird.
Interessanter dürfte die bei C dargestellte Version sein, wo in einem länglichen Raum (hier im Innern einer Tragfläche) die Stau-Strömung so geführt wird, dass sie in Längsrichtung angeordnete Vortriebs-Elemente (dunkelrot) im ´Zickzack´ durchläuft. Diese Lösung erscheint nicht sehr elegant, könnte aber dennoch wirksam sein.
Vortriebs-Körper
Dieser Vortriebs-Körper ist im Prinzip ein runder Zylinder (grau) mit strömungsgünstig geformtem Einlass (links). Dort wird die Luft durch feststehende Schaufeln in Drallbewegung versetzt (siehe Pfeil), wodurch zunächst Luft angestaut wird (rot), also Staudruck resultiert, andererseits die Luft im Drehsinn beschleunigt wird. Am Ende des Zylinders wird (ebenfalls durch Schaufeln, siehe Pfeil) diese Rotationsbewegung wieder ´aufgestellt´, so dass die Luft in einem genau nach hinten weisenden Strahl austritt. Der am Bug durch den Stau gegebene Widerstand wird durch diesen Rückstoss am Heck komplett kompensiert.
Entscheidend ist nun, dass die Geschwindigkeit der Strömung an der Rückseite geringer ist als an der Vorderseite, somit Differenz statischen Drucks entlang der gesamten Oberfläche dieses gewendelten Kanals gegeben ist. Im Querschnitt links ist hierzu obige Möglichkeit skizziert: die Rückseite (oberer Halbkreis) weist Querrillen auf, hier also radial wie Treppenstufen einer Wendeltreppe angeordnet, mit entsprechend turbulenter Strömung. Die Vorderseite (unterer Halbkreis) weist Längsrillen auf, hier also jeweils kreisförmig verlaufend vom Bug zum Heck, praktisch wie spiralige Rutschbahnen. Ein simples Bild könnte wieder einmal zutreffenden Eindruck ergeben: ´Luft rutscht widerstandslos auf dem Hintern abwärts, während der Kopf gegen die Unterseite von Treppenstufen anschlägt´.
Nicht alle Luft der Querschnittsfläche fließt durch den Zylinder, vielmehr bildet sich davor ein Luftkeil, entlang dessen die restliche Luft außen herum abfließt (und die äußere Wand vorn muss diesem Fluss angepasst sein). Hinten ergibt sich natürlich wieder ein Sogbereich, welcher hier jedoch positive Wirkung hat, indem er Luft aus dem Zylinder heraus saugt (die natürlich in erster Linie entlang der glatten Vorder-Seite des Kanals strömt). Trotz seiner ´plumpen´ Form wird dieses ´Zusatz-Triebwerk´ also wesentlich zum Vorschub eines Fahrzeugs beitragen.
Neue Aufgaben, alte Probleme
Vermutlich aber unterbindet ein massives ´Ja-aber´ jede Aktivität in diese Richtung - weil geltende Anschauung schon aus Gründen der Energie-Konstanz solche Lösungen unmöglich machen. Einerseits wird immer wieder verkündet, ´jeder Tropfen Wasser enthielte Energie zur Versorgung von Millionen ...´ - andererseits gibt es praktisch keine Nutzung solch ´freier Energien´ (mit Ausnahme der tödlichen Atom-Energie-Wirtschaft).
Auch Luft ist voller Energie: ein Kubikmeter wiegt etwa 1.2 kg und jedes Teilchen darin bewegt sich mit etwa 450 m/s, also steckt in dieser ´ruhenden´ Luft eine Energie von 0.5 mal 1.2 mal 450^2 gleich 121500 kg/ms^2. Das entspricht einem Stein von 10 kg, der mit 156 m/s bzw. 561 km/h vom Himmel fällt, oder einen Felsblock von 100 kg, der mit 49 m/s bzw. 176 km/h zu Tale rauscht oder einem PKW von 1000 kg, der mit 16 m/s in die Garage hinein und mit diesen 56 km/h auch hinten wieder hinaus fährt - eben mit der Energie eines ganz normalen Kubikmeters ruhender Luft.
An dieser Energie ändert sich rein gar nichts, wenn diese Luft entlang einer gekrümmten Fläche geführt wird, es werden lediglich die Vektoren der ansonsten chaotischen Bewegungen ein klein wenig mehr gleichgerichtet sein. Und das geschieht auch wenn die gekrümmte Wand rein passiv da steht und keinerlei Energie einbringt. Die etwas besser geordnete Strömung könnte aber so gelenkt werden, dass damit irgendein zweckdienlicher Nutzen entsteht, und sei es nur als Nebeneffekt - ohne dass sich dabei irgendetwas am Energie-Gehalt der beteiligten Luft ändert - total einfach zu verstehen, wenn man nicht im Banne falsch verstandener Energie-Konstanz ´erblindet´ ist.
Voriger Staudruck stellt kinetische Energie dar genauso wie ein in Bewegung befindlicher Stein. Anders als bei diesem festen Körper jedoch lassen sich Luft-Teilchen umlenken, per passiver Maßnahme durch Sog. Es ergeben sich automatisch Strömungen höherer und geringerer Geschwindigkeit, also nutzbares Potential, und Kräfte größer als der ursprüngliche Staudruck - was jede Forelle als Selbstverständlichkeit zu nutzen in der Lage ist - und intelligente Menschen sollen das nicht ebenso?
Als Alternative bleibt ansonsten, weiterhin Räuber zu bleiben (wie dieses schöne Tier) und wertvolle Resourcen zu vernichten, in absehbar kurzer Zeit, uns selbst oder spätestens unseren Nachkommen essentieller Lebensgrundlagen zu berauben.
Gegenstand dieses Kapitels ist der widerstandslose Vortrieb von Körpern in Fluid, so dass z.B. ein Flugzeug praktisch ohne motorischen Antrieb vorwärts weiter fliegt. Nach allen Regeln der Physik scheint das völlig unmöglich - aber weder Hummeln noch Forellen haben Physik studiert. Und viele andere physikalische Erscheinungen erscheinen zunächst auch völlig unmöglich zu sein.
In Bild 05.09.01 bei A ist beispielsweise der ´Coanda-Effekt´ skizziert: aus einer Leitung fließt Wasser (blau) und trifft seitlich auf eine gerundete Fläche (grau) und wird umgelenkt entlang dieser Fläche - aus der Richtung seiner Gewichtskraft und bisherigen Trägheit heraus. Dieses ´Unglaubliche´ können Physiker gut erklären anhand gültiger Formeln (z.B. betreffende ´Zirkulation´), während ich diesen Effekt in vorigen Kapiteln auf Basis der normalen Molekularbewegung beschrieben habe. Eine meiner provokanten Aussagen wird hier bestätigt: Strömung hat keine zwingende Trägheit, ihre Partikel bewegen sich immer dort hin, wo Wege zwischen Kollisionen am längsten sind - auch rechtwinklig zur bisherigen Richtung einer Strömung.
In diesem Bild bei C ist schematisch das Paradoxon-d´Alembert skizziert: ein Körper bewegt sich durch Fluid und übt damit Druck nach vorn aus. Da sich Druck umgehend in alle Richtungen gleichförmig ausbreitet, wirkt der Druck letztlich auch auf die Rückseite des Körpers mit genau gleicher Stärke (als fortgesetzter Prozess, wenn der Körper sich kontinuierlich vorwärts bewegt). Also müsste die Bewegung widerstandslos sein und der Körper verlustfrei weiter wandern, nicht nur Kugeln sondern auch strömungsgünstige Körper wie bei D skizziert. Egal ob dieses Profil sich nach links oder rechts bewegt, die Kräfte sind symmetrisch - aber ´paradoxerweise´ weist auch dieser Körper noch Widerstand auf.
Hier jedoch geht es nur um Bewegung in der Welt der Teilchen, z.B. eines strömungsgünstigen Körpers (E in vorigem Bild), der sich durch ein teilchen-haftes Medium bewegt und aller Erfahrung nach Widerstand erfährt, also nur mittels Einsatz von Kraft sich fortgesetzt vorwärts bewegen kann. Paradox dazu scheinen einige ´Körper´ jedoch ohne erkennbaren Widerstand sich relativ zum Fluid bewegen zu können.
Vielleicht war der eine oder andere auch schon erstaunt, dass hoch oben in Gebirgsbächen noch immer Fische vorhanden sind. Bachforellen stehen total ruhig in rascher Strömung und fliehen bei Gefahr blitzschnell - stromaufwärts (wie jeder leicht beobachten kann). Diese Fische kommen dort oben zur Welt, aber manche Arten (wie z.B. Lachse) wandern bis ins Meer - und wieder zurück, selbst über meterhohe Wasserfälle. Sie ´robben´ dabei nicht irgendwie um den Wasserfall herum oder ´fliegen´ durch die Luft darüber hinweg, nein, sie ´schwimmen´ durch den schnellen satten Strahl hindurch und hinauf (wie oftmals im Fernsehen gezeigt wurde).
Bild 05.09.03 zeigt eine Darstellung aus Lehrbüchern zur Beschreibung des obigen Paradoxon-d´Alembert. Ein runder Zylinder (grau) befindet sich in einer Strömung. Weit vor dem Zylinder, links bei A, weist die Strömung die Geschwindigkeit V1 auf (senkrechte Linie). Zum vordersten Punkt B des Zylinders wird die Strömung aufgestaut, womit theoretisch an diesem ´Staupunkt´ keine Bewegung gegeben ist (V0).
Seitlich vom Zylinder sind ebenfalls Geschwindigkeiten markiert, wobei weit außen bei C wiederum die Grund-Geschwindigkeit V1 gegeben ist (waagrechte Linie). Zum Zylinder hin ist die Strömung beschleunigt und erreicht direkt an dessen Oberfläche D eine ´Über-Geschwindigkeit´ V2, etwa doppelt so schnell wie die Grund-Geschwindigkeit.
Die Druck- und Sog-Kräfte im vorderen Bereich aller gerundeten Körper gelten als ausgeglichen hinsichtlich ihres Widerstands in Strömungsrichtung, aber am achterliche Bereich ergibt sich Sog. Um dieses achterliche ´Fest-Saugen´ zu reduzieren, müssen die Flanken eines Körpers weiter nach hinten gezogen sein, womit der Körper ´strömungs-günstigere´ Form erhält.
Die Sogkräfte wirken jeweils senkrecht auf die Oberfläche, d.h. ihre nach vorwärts bzw. rückwärts gerichteten Komponenten sind meist nur Bruchteile davon. Die Kräfte des vorderen Bereichs sind links dargestellt, rot der gegen die Bewegungsrichtung gerichtete Staudruck und blau die in Bewegungsrichtung weisenden Komponenten des Sogs. In etwa sind diese Kräfte des Bug-Bereichs ausgeglichen - oder könnten positiv gestaltet werden.
In Bild 05.09.05 ist der Körper A der Forelle schematisch als ´strömungsgünstiges´ Profil skizziert. Die Forelle steht mit offenem Maul in der Strömung, so dass der Staudruck B (rot) auch innerhalb des Körpers anliegt. Blau markiert sind auch wieder die Bereiche des seitlichen Sogs D, welche bis zur Heckflosse C reichen.
Innerhalb des Maul-Bereichs markieren die Pfeile, dass sich dieser Staudruck nach allen Seiten hin gleichförmig auswirkt. Dieser erhöhte Druck wirkt somit auch auf die obere Wand (dunkelgrau), die in etwa der Innenseite einer Halbkugel entsprechen könnte. Hinten vom Körper A her ist normaler Gegendruck gegeben, vorn an diesem Viertel E einer Kugeloberfläche liegt dagegen der viel geringere Druck des Sogbereichs an. Wenn damit diese Staudruck-Innenkugel nach vorn gedrückt würde, ergäbe sich eine elegante Lösung des Paradoxons. ´Gar zu elegant?´ - diese Frage übergebe ich gern an Fachleute.
Staudruck ist insofern positiv als damit Kraft in Erscheinung tritt (und im vorigen Kapitel wurden ´plumpe´ Formen vorgeschlagen, damit diese Kraft relativ groß ist). Mit vorigen Lösungsansätzen wird diese Kraft aber nur statisch verwertet, was den besonderen Eigenschaften der Fluide nicht gerecht wird. Erstaunliche und höchst wirksame Effekte kommen nur aus Strömungen zustande, wie z.B. oben erwähnter Coanda- sowie Magnus-Effekt. In Bild 05.09.06 ist nur der vordere Teil des Körpers A dargestellt. Rot sind Bereiche des Staudrucks (bzw. langsamer Strömung) und blau sind Bereiche des Sogs (bzw. schnellerer Strömung) markiert. Zuerst soll die Darstellung links im Bild diskutiert werden.
Zugleich mit der Umlenkung wird die Oberfläche zur jeweiligen Strömung hin gedrückt (gemäß Magnus). Am Maul C treten damit Kräfte G in zentripetale Richtung auf, also neutraler Art. An der zweiten Krümmung jedoch wird die Oberfläche H nach vorn gezogen. Durch diese doppelte Umlenkung wird also statischer Staudruck in dynamische Vortriebskraft umgesetzt. Hinter der Rundung des Mauls ergibt sich turbulente Strömung J, welche von innen höheren Druck auf die ´Backe´ I ausübt, während außen in diesem Sogbereich geringer statischer Druck anliegt.
In diesem Bild rechts ist schematisch nun die Grund-Konstruktion des ´Salmon-Vortriebs-Motors´ skizziert. Es sind wiederum nur der vordere Teil des Körpers A dargestellt und die anderen Elemente entsprechend gekennzeichnet. Als zusätzliches ´Bau-Element´ sind hier Kiemen K schematisch eingezeichnet.
Als Beispiel soll nun ein Flugzeug-Rumpf dienen, der sich nach links in ruhender Luft bewegt. Das Grundprinzip technischer Umsetzung ist in Bild 05.09.07 schematisch dargestellt. Der vor dem Rumpf A existierende Staudruck B muss durch eine Öffnung in einen Bereich innerhalb des Körpers eindringen können. Strömung in einem Kanal C zwischen Rumpf A und vorderem Körperteil D muss an gekrümmten Flächen umgelenkt werden und seitlich am Körper abfließen. Einerseits wird also Luft per Staudruck in die Kanäle gedrückt, andererseits wird diese Luft aus den Kanälen abgesaugt durch die Strömung entlang der Außenseite des Rumpfes.
In diesem Bild rechts-oben ist die Umlenkung an zwei gekrümmten Flächen aus vorigem Bild nochmals wiederholt, hier jedoch die Oberflächen durch drei Kanäle C vergrößert. Das allein wird nicht ausreichen, weil zu geringe Geschwindigkeitsdifferenzen an den jeweiligen Rück- und Vorderseiten auftreten. Als ´Rückseite´ wird hier die zum Heck weisende Oberfläche, als ´Vorderseite´ die zum Bug schauende Oberfläche bezeichnet. In diesem Bild rechts-unten sind drei Möglichkeiten zur Verzögerung der Strömung an Rückseiten skizziert.
Voriges Bilder sind rein schematische Darstellungen und zu ´makroskopisch´. Gewiss braucht Fluid immer genügend Spielraum, beispielsweise ausreichende Durchmesser von Rohren oder hier der Kanäle, wenn das System nicht selbstsperrend sein soll, d.h. gar keine Strömung mehr zustande kommt. Andererseits zeigen gerade diese Kiemen, dass Effekt nur erreicht wird durch enorme Vergrößerung der Oberflächen, d.h. mikroskopisch kleiner Strukturen. Hier ist vorteilhaft, dass Strömung einerseits durch Druck und andererseits durch Sog zustande kommen kann, also müsste auch eine Lösung durch relativ enge Kanäle machbar sein.
In Bild 05.09.08 ist vorige ´Rückwand mit Wellen´ etwas detaillierter dargestellt, wobei die Wellen hier durch kleine Dellen ersetzt sind. Links im Bild ist die Sicht auf eine Rückseite W dargestellt, die zwischen zwei Spanten S gehalten wird. Die Kreise darin repräsentieren runde Dellen bzw. auch ein Wabenmuster wäre geeignet. Die Luft strömt von unten nach oben an diesen Vertiefungen entlang und es wird nur turbulente Bewegung zustande kommen.
In Bild 05.09.08 ganz rechts ist in diagonaler Sicht ein Sandwich-Block skizziert, der einerseits einfach zu fertigen und andererseits sehr vorteilhaft sein dürfte. Die Luft strömt wieder von unten nach oben durch die Kanäle, jede Rückseite ist mit Rillen quer zur Strömung versehen, jeder Vorderseite mit Rillen in Strömungsrichtung, jede Zwischenwand weist also einerseits Quer- und andererseits Längsrillen auf.
In Bild 05.09.09 links ist wiederum der Bug eines Rumpfes A dargestellt inklusiv des davor angeordneten Körperteils D, dazwischen die Kanäle C. Am Bug liegt Staudruck B an, so dass Luft durch die Kanäle gedrückt wird (bzw. auch seitlich abgesaugt wird). Oben in dieser Darstellung sind vorige Sandwich-Blöcke (dunkelrot, jeweils mit Abstand dazwischen) entlang der Krümmung des Bugs angeordnet.
In Bild 05.09.09 rechts sind einige Daten beispielhaft eingezeichnet, oben für die Start- und unten für die Flugphase. In der Startphase ist das Flugzeug z.B. erst 100 km/h schnell, bewegt sich also mit rund 28 m/s (V 28) relativ zur ruhenden Luft bzw. mit dieser Geschwindigkeit kommt Luft zum Einlass. In diesem Bereich wird die Strömung verzögert, z.B. auf 25 m/s (V 25). In die relativ engen Kanäle in seitliche Richtung (hier nach oben) fließt die Luft nochmals langsamer hinein, z.B. nurmehr mit 15 m/s (V 15).
Das klingt natürlich unglaublich - aber genauso macht es die Forelle: sie steht bewegungslos in der Strömung, um bei Gefahr mit einem einzigen Schwanzschlag blitzartig in der Strömung einen Meter aufwärts ins Versteck zu flüchten. Oder sie beschleunigt im Gumpen unter einem Wasserfall und ´schwimmt´ mitten durch den satten Strahl hinauf (dessen Fließgeschwindigkeit z.B. bei 1 m Fallhöhe um rund 3 m/s beschleunigt).
In Bild 05.09.10 sind weitere Anwendungsmöglichkeiten skizziert, wobei obige Sandwich-Blöcke nicht im Rumpf sondern in einer normalen Tragfläche installiert sind. Bei A ist dargestellt, dass man vorn-unten an der Tragfläche bewusst zusätzlichen Stau organisiert, um eine Strömung durch solche Vortriebs-Einheiten (dunkelrot) zu lenken und an der Oberfläche abzuführen.
Vorige Konzeptionen dienten zur Reduzierung des Strömungswiderstands bzw. zur Selbstbeschleunigung eines Rumpfes, damit hinter dem Bug für Menschen und Güter nutzbarer Raum durch Luft befördert wird. Der Vortrieb resultiert nur aus der Konstruktion des Bugbereichs - also müssten auch ´Vortriebs-Köpfe´ ohne Rumpf machbar sein, z.B. um diese an konventionellen Rumpfformen praktisch wie Zusatz-Triebwerke anbringen zu können. In Bild 05.09.11 ist rein schematisch eine Lösung skizziert, links ein Querschnitt und rechts ein Längsschnitt. Schon auf den ersten Blick erscheint diese Konzeption sehr einfach - eben weil der achterliche Raum frei zur Verfügung steht.
Ähnlich wie in einer ´Archimedes-Schnecke bzw. -Pumpe´ verlaufen die ´Schaufeln´ als spiraliges Band vom Bug bis zum Heck, vorn aus axialer Richtung übergehend zu abnehmender ´Steigung´, mittig mit konstanter und achtern wieder mit zunehmender Steigung, bis letztlich in axialer Richtung wieder auslaufend (siehe Pfeile). Die am Einlass gegebene Fläche wird multipliziert mit der Anzahl ´Umdrehungen´ dieser Schraube.
Diese Ausführungen müssten ausreichend Anlass sein für umfangreiches Nach-Denken, auch über die Anwendung dieser Prinzipien bei Flugzeugen, Land- und besonders bei Wasserfahrzeugen. Gerade für vorige Vortriebs-Köpfe müsste ´numerische Strömungstechnik´ schon rein theoretisch optimale Kanalquerschnitt für die gewünschte ´zwei-teilige´ Strömung ermitteln können.
Alternativen
Jede Tragfläche ist obige gekrümmte Wand, allerdings muss sie per Energie-Einsatz vorwärts bewegt werden. Der Nutzen ihres Auftriebs jedoch ist höher als mechanisch fortgesetzte Beschleunigung der Last gegen die Gravitation erfordern würde. Diese Maschine liefert mehr Nutzen als Aufwand erforderlich ist, glasklar - und mir völlig unklar, warum diese Tatsache von Physikern nicht ebenso klar heraus gestellt wird - und die Konzeption von Mehr-Nutzen-Maschinen nicht zur Maxime erklärt wird.
05.10. Tornado-Motor
Äther-Physik und -Philosophie