Luftwiderstand

Begriffsdefinition

Ein Gegenstand, der sich mit einer Geschwindigkeit relativ zum ihn umgebenden gasförmigen oder flüssigen Medium bewegt, erfährt eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Kraft. Bewegt sich der Gegenstand durch ein Gas (Luft), so spricht man vom Luftwiderstand.
Der Betrag (die Größe) der Kraft ist unabhängig davon, ob sich ein Körper durch ein als ruhend betrachtetes Medium bewegt, oder ob der als ruhend betrachtete Körper von dem Medium umströmt wird. Wie im Kapitel zur Geschwindigkeit erwähnt, ist Bewegung immer relativ zueinander zu sehen. Für quantitative Messungen verwendet man meist die letztgenannte Methode. Autos werden in einem Windkanal untersucht, in dem die Luft das stehende Automobil mit der gewünschten Geschwindigkeit umströmt. Man unterscheidet zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Von laminarer Strömung spricht man, wenn sich die Teilchen des strömenden Mediums parallel zur Oberfläche des Gegenstandes bewegen. In diesem Fall ist der Strömungswiderstand, also die abbremsende Kraft nur von der Zähigkeit (Viskosität) des Mediums abhängig. Bewegen sich die Teilchen des Mediums nicht laminar, also auch quer, senkrecht oder teilweise entgegengesetzt zur Hauptbewegungsrichtung des Mediums, so spricht man von turbulenter Strömung. Diese ist neben der Viskosität auch von der Dichte und der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers abhängig.

Praktische Bedeutung

Laminare Strömung tritt in der Praxis nur an wenigen speziell geformten Oberflächen auf. Im Flugzeugbau versucht man zum Beispiel mit recht hohem Aufwand die Tragflächen so zu konzipieren, dass hier möglichst keine turbulente Strömung entsteht. Die Oberflächen müssen dazu glatt und frei von Ecken und Kanten sein. Da kein Automobil frei von Ecken und Kanten ist, entsteht hier unweigerlich turbulente Strömung. Mathematisch ist der Luftwiderstand von turbulent umströmten Gegenständen nur sehr aufwändig und meist auch nur näherungsweise zu erfassen. Was man nicht berechnen kann wird halt gemessen. Dazu stell man ein maßstabsgerechtes Modell oder gleich das ganze Auto auf eine mit Kraftsensoren ausgestattete Platte in einem Windkanal. Ziel der Messungen ist der

Strömungswiderstandskoeffizient

Der Strömungswiderstandskoeffizient ist eine Maßzahl für den Strömungswiderstand eines von einer Flüssigkeit oder einem Gas umströmten Körpers. Andere Bezeichnungen sind Widerstandsbeiwert oder der in der Automobilbranche oft zitierte CW-Wert. Aus dem CW-Wert kann die Widerstandskraft wie folgt berechnet werden:

[2.9]

Dabei bedeuten:
F_W - Widerstandskraft, ρ - Dichte des Mediums (Luft), C_W - Strömungswiderstandskoeffizient
A - Fläche des Körpers senkrecht zur Strömungsrichtung, v - Strömungsgeschwindigkeit

Luftwiderstand in der Praxis

Aus der obigen Formel ergibt sich, dass die Widerstandskraft im Wesentlichen von der Bauform des Autos (A und C_W) und der Fahrgeschwindigkeit (v) abhängt. Die Luftdichte variiert in dem für uns interessanten Temperaturbereich nur gering. Bei einem Luftdruck von 1013,25 hPa und -20°C beträgt diese 1,395kg/m³, bei +35 °C 1,146 kg/m³. Schließlich und endlich können wir diesen Faktor nicht beeinflussen. In unserer Hand liegt jedoch die Bauform (CW-Wert und "Angriffsfläche"), sowie die Geschwindigkeit mit der wir uns fortbewegen. Der CW-Wert fällt um so geringer aus, je tropfenförmiger ein Fahrzeug gestaltet ist. Die Angriffsfläche fällt um so geringer aus, je kleiner das Auto ist. Unangenehm ist außerdem die Tatsache, dass die Widerstandskraft quadratisch mit der Geschwindigkeit wächst. Man muss also die vierfache Kraft überwinden, um mit 100km/h anstelle von 50km/h zu fahren.
Im nächsten Kapitel geht es um den Zusammenhang zwischen Kraft, Energie und Leistung und da erfahrt ihr, warum Roll- und Luftwiderstand für Automobilbauer so unangenehme Zeitgenossen sind.

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