Полет (передвижение)
Летать или полет означает движение тела через воздух , с помощью другого газа или в вакууме , не касаясь твердой поверхностью.
этимология
Глагол «летать», как и mhd. Viegen от ahd . Fliogan , восходит к буквенному plaũkti «плавать» до idg. Root pleuk- , которое расширяется от Pleu «rinnen, течь, плавать, летать» и первоначально ну в общем имелось ввиду "двигаться [быстро]".
Различные виды полетов
Различные типы полета различаются в зависимости от различных форм движения и основных физических принципов.
Активный полет в окружающем воздухе
Аэродинамический полет
Движение тела тяжелее воздуха с динамической подъемной силой , создаваемой телами в потоке, называется аэродинамическим полетом. Аэродинамический полет описывается в физике законами аэродинамики , например Б. Полет на крыльях , машущие крылья , неподвижные крылья , вращающиеся крылья .
Аэростатический полет
Движение тела в воздухе, наполненного газом с более низкой плотностью, чем окружающий воздух, и которое испытывает статическую плавучесть , называется аэростатическим полетом. Аэростатический полет описывается с использованием принципа Архимеда , например. Б. Полет на свободном воздушном шаре .
Активный полет независимо от окружающего воздуха
Возвратный привод
Полет тела в космосе с возвратной тягой осуществляется с помощью ракетной тяги . Привод отдачи - это практическое применение 3 -й аксиомы Ньютона , например B. в космическом полете на ракете .
Пассивный полет
Пассивный полет включает прыжки - форму передвижения , широко распространенную в животном мире. Тело отрывается от земли, пассивно летит по воздуху и через короткое время снова приземляется под действием силы тяжести. Если пренебречь влиянием сопротивления воздуха и другими аэродинамическими эффектами, тело описывает траекторию траекторной параболы . В зависимости от аэродинамических свойств тела парабола траектории может быть укорочена, удлинена или изменена асимметрично.
Пассивный полет любого объекта в качестве снаряда после первоначального ускорения механической энергией (например, полет копья или стрелы ) или метательного взрывчатого вещества описывает такую баллистическую траекторию.
Аппараты, которые могут летать не только в воздухе, но и в космосе , называются ракетами . Ракеты, искусственные спутники , космические зонды и другие космические аппараты всегда находятся на баллистических траекториях, когда не используются двигатели. Эти траектории могут необязательно быть периодическими орбитами вокруг небесного тела или вокруг точки Лагранжа системы трех тел.
Полет на природе
Плавучесть семян растений и пауков
На семенах растений из так называемых ветряных летчиков оборудованы устройствами для пассивного полета.
Некоторые виды пауков испускают пучки нитей, которые затем улавливаются ветром вместе с ними. Таким образом можно преодолеть несколько сотен километров.
1 птерозавр
2 летучие мыши
3 птицы .
Их передние конечности являются гомологичными структурами и в то же время аналогичны их функции крыльев. У птерозавров крылья держатся на 4-м пальце, у летучих мышей - от 2-го до 5-го, а у птиц - преимущественно на 2-м пальце.
Группы животных
Некоторые водные существа, такие как рыбы, пингвины и морские млекопитающие, могут прыгать в воздухе , в то время как летучие рыбы ( семейство Exocoetidae) могут преодолевать расстояние до 400 м в воздухе, планируя .
Большинство наземных животных, которые лазают и бегают, могут прыгать в воздухе. Некоторые виды на суше крылатые , поэтому они могут летать на еще большие расстояния: насекомые ( класс Insecta) составляют большинство наземных животных, а большинство взрослых насекомых имеют две пары крыльев .
Среди наземных позвоночных ( триба Vertebrata) в ходе эволюции возникло множество конвергентных форм, способных к полету.
Среди рептилий (класс Reptilia), которые были вымершими Flugsaurier ( Pterosauria ), способными летать, в последнее время есть только воздушные змеи ( род Draco ), способные летать. Изысканные древесные змеи осваивают планерный полет.
Большинство птиц (класс Aves) и среди млекопитающих (класс Mammalia) на планеры (семейство сумчатые летяги, ограничено скользя), скользя белки ( племя Pteromyini, ограничено скользя) и летучие мыши ( порядок рукокрылых) способны летать.
Казни в полете
В варианте выполнения полет может производиться между планирующим, планирующим , гаукельфлюгным , руттельфлюгным , швиррфлюгом , махающим полетом или полетом руля направления и другими формами полета. Есть также специальные конструкции полета, такие как полет ухаживания z. Б. с бекасами , которые в первую очередь не выполняются как передвижение. В случае некоторых насекомых для спаривания используется полет роем , например Б. свадебный полет некоторых перепончатокрылых или танец роя ( англ. Nuptial flight ) некоторых поденок . Полета компенсация служит для поддержания распределения в среде обитания .
Полет насекомых
Насекомые летают по-разному. В зависимости от размера насекомого и скорости движения крыльев воздух для насекомого бывает по-разному «жестким». Поэтому особенно мелкие насекомые «плавают» в воздухе, который из-за своего размера, полета и скорости крыльев кажется им такими же жесткими, как вода. Поэтому их крылья не имеют аэродинамической формы, а скорее напоминают быстро вращающуюся « лопатку ».
Птичий полет
Когда дело доходит до подъема, полет птицы подчиняется тем же основным аэродинамическим законам, что и судно на подводных крыльях. Однако принцип действия совсем другой. Перемещение крыльев вверх создает меньшее сопротивление, чем перемещение крыльев вниз. Таким образом, крылья толкают птицу больше вверх (взмах крыла вниз), чем вниз (когда крыло взмахивает вверх). В основном это достигается за счет искривления законцовок крыла вниз, когда закрылки поднимаются вверх. Движение вперед вызвано более или менее выраженной кривизной крыльев (подумайте о крыльях гребного винта корабля), в зависимости от намерения птицы. Другими словами, так называемые области рук на законцовках крыла повернуты так, чтобы передний край был обращен вниз при движении вниз, а при движении вверх передний край области руки был направлен вверх. Это не только толкает воздух вниз, но и назад. Выполнение движения вверх и вниз по наклонной и менее вертикальной траектории также можно использовать для выталкивания воздуха не только вниз, но и назад и, таким образом, создания движения вперед (см. Взмахи крыльев ). Движение вперед также может быть выполнено без взмаха крыльев, поскольку птица преобразует потенциальную энергию, полученную с высотой полета, в тягу во время планирования . Одна попытка определить характеристики различных видов птиц на основе отношения длины крыльев кисти к общей длине крыла - это индекс крыльев кисти .
Интересно , что частота крыла хлопая из перелетных птиц во время междугородних птиц миграции , например , Б. над Сахарой - это не то же самое, что и с ближнемагистральными рейсами в соответствующем целевом регионе. В «повседневном полете» их частота взмахов крыльев выше, потому что они хотят двигаться как можно быстрее. Во время миграции птицы они лучше распределяют свои силы, так как меньшая частота биений крыльев означает меньшие затраты энергии. Это в течение некоторого времени приводило орнитологов в замешательство, поскольку они пытались использовать радарные устройства для идентификации птиц в полете по миграции птиц на основе частоты их взмахов.
Большие птицы
Энергосберегающее скольжение и скольжение особенно заметно у крупных птиц. Их полет долгое время считался большим (нераскрытым) секретом. Есть ряд естественных причин, которые делают движение в воздухе ненужным при планировании: восходящие потоки на горных склонах, нагретые и, следовательно, поднимающиеся воздушные массы ( термики ) или порывистые ветры ( динамическое скольжение ). Хищные птицы могут преодолевать большие расстояния во время своих охотничьих полетов в пределах своих обширных охотничьих угодий, иногда более ста километров в день. Альбатросы с размахом крыльев до 3,5 метров может оставаться почти неподвижно в воздухе в течение нескольких часов в морской бриз. Некоторые птицы также осваивают дрожащий полет , при котором они остаются на месте во время полета.
Маленькие птицы
Мелкие птицы обычно могут двигаться как в планирующем, так и в гребном полете . Очень маленький колибри - одна из немногих птиц, которые также владеют парящим полетом , и он летает с очень высокой частотой до 80 взмахов крыльев в секунду. Эта техника позволяет летать назад или вбок или стоять в воздухе, как насекомые.
Роевое поведение
За счет образования стай и V-образной формы в полете птицы сокращают расход энергии за счет - по диагонали позади - птицы, находящиеся позади, используют зону плавучести концевого вихря того, что летит впереди. В случае крупных птиц также может быть выгодно синхронизировать взмах крыльев в форме буквы «V».
Техническая копия
Роботизированная чайка, которая использует активный шарнирно-сочлененный торсионный привод для полного воспроизведения полета птицы и, таким образом, отличается от простых машущих крыльев, была впервые представлена в 2011 году производителем автоматики Festo на Ганноверской ярмарке . Фестос SmartBird может взлетать и приземляться себя и создает подъемную силу и тягу только с крыльями (см орнитоптере).
Технические ракеты
Легче воздуха
Во время полета воздушного шара аэростатическая подъемная сила создается подъемным газом в газовых камерах или горячим воздухом . Термин «полет» не используется на техническом жаргоне для обозначения полета на воздушном шаре или дирижабле , вместо этого используется термин «вождение». Это могло иметь историческое происхождение, поскольку первые воздухоплаватели переняли терминологию мореплавания.
Гибридные формы используют аэростатический подъем плюс аэродинамические силы. Дирижабли создают небольшую часть (около пяти процентов) подъемной силы, необходимой аэродинамически, за счет вращения гребных винтов. Гибридные дирижабли больше используют аэродинамику и сочетают в себе свойства дирижаблей и самолетов.
Kytoon - гибрид воздушного змея и воздушный шар - использует ветер пассивно в дополнение к своей плавучести. Бионические летающие объекты используют элементы движения, основанные на полете птиц или ныряющем плавании морских животных. Крытый летающий объект Air Jelly от Festo использует отдачу восьми лопастей на щупальцах, как у осьминога или медузы . AirRay и AirPenguin , тоже от Festo, похожи на скатов и пингвинов .
Тяжелее воздуха
история
Уметь летать «как птицы » всегда было мечтой человечества. Легенда о Дедал и Икар передаются из древней греческой мифологии , который двигался по воздуху , как птицы , используя самодельные крылья. Даже в этой древней легенде техническое невежество и высокомерное пренебрежение мерами безопасности рассматриваются как риск для человека во время полета (Икар игнорирует тот факт, что крылья, сделанные его отцом Дедалом из воска и птичьих перьев, тают при приближении к солнцу, и несчастный случай со смертельным исходом).
В действительности люди, не знающие физических основ аэродинамического полета, изначально могли перемещаться в воздухе только с пилотируемыми воздушными змеями или, в лучшем случае, с помощью изобретательных устройств, в лучшем случае случайно перейти в кратковременную фазу подъема, не используя ее для длительное время в воздухе может (ср. Альбрехт Людвиг Берблингер ). Возможно, артефакт дохристианского голубя из Саккары представляет собой модель планера. Согласно исламской хронике, ученый Аббас ибн Фирнас был первым человеком, который разработал дельтаплан (с перьями стервятника) и совершил полет в 875 году. Однако, как сообщается, он сломал обе ноги во время быстрого приземления.
Несмотря на существующие в природе образцы для подражания, человеку потребовалось много времени, чтобы понять принцип действия крыла и технически подражать ему. Применение эмпирических и научных методов ( Леонардо да Винчи , Джордж Кейли ) принесло первые полезные идеи и предложения для эмпирических летных исследований, которые, однако, не привели к пониманию работы крыла и успешным летным испытаниям до самого конца. 19 века. Первые успешные полеты на аппаратах, способных выдерживать вес человека, были первоначально совершены в планирующем полете (например, Отто Лилиенталь , Октав Шанут , братья Райт ).
Покрытие более длинных маршрутов полета на управляемом самолете с использованием моторизованного самолета с неподвижным крылом было возможно только в начале ХХ века. Своими успешными полетами с двигателями братья Райт заложили техническую основу для быстрого развития авиации, которое продолжается и по сей день. Только знания, полученные при разработке современных моторизованных самолетов, позволили построить функциональные летательные аппараты с силовой установкой . Вертолет подлежит одни и те же принципы, что и аэродинамического полета воздушного судна, хотя вертикальное перемещение посредством вращения поверхности ( роторов производятся).
Физические основы
При создании динамической подъемной силы с помощью крыльев или крыльев используются свойства воздуха ( масса , вязкость ). Благодаря этим свойствам входящий воздух отклоняется за счет соответствующего профилирования и регулировки крыла; им передается импульс перпендикулярно направлению потока. Согласно первому закону Ньютона , это изменение направления потока требует непрерывно действующей силы. Согласно третьему закону Ньютона ( actio и reactio ) на крыло действует равная и противоположная сила - подъемная сила.
Величина подъемной силы зависит от скорости, угла атаки и геометрии крыла. В то время как скорость изменяется в зависимости от мощности привода и высоты полета , угол атаки можно изменять с помощью руля высоты . Даже геометрию крыла можно изменить во время полета, например Б. с помощью закрылков . Поскольку создание подъемной силы в виде индуцированного сопротивления противодействует движению полета, движение вперед (за исключением планеров и планеров ) поддерживается с помощью авиационных двигателей . Частично это делается с помощью авиационных двигателей, которые приводят в движение один или несколько гребных винтов , частично с помощью реактивных двигателей , иногда в комбинации ( турбовинтовой привод ).
Летные маневры - действия пилота в полете. Они включают в себя набор высоты и спуск , в отличие от полета или горизонтального полета.
Орнитоптеры
Только недавно биологические модели птиц , летучих мышей и насекомых , которые двигались, взмахивая крыльями в течение миллионов лет ( взмахивая крыльями ), смогли функционировать. Огромный успех был продемонстрирован в 2011 году искусственной чайкой из сельди SmartBird . Очень маленький орнитоптер имитирует плавание медузы с помощью 3 складывающихся вместе лопастей (крыльев). Он был разработан Лейфом Ристрофом и Стивеном Чилдрессом из Нью-Йоркского университета.
Смотри тоже
литература
- Дэвид Э. Александер: Летуны природы - птицы, насекомые и биомеханика полета. Johns Hopkins University Press, Балтимор 2002, ISBN 0-8018-6756-8 .
- Питер Алмонд: Полеты - История авиации в картинках. Перевод с английского Манфреда Алли . DuMont Monte, Кельн 2003, ISBN 3-8320-8806-7 .
- Дэвид Андерсон, Скотт Эберхард: понимание полета . 2-е издание. МакГроу-Хилл, Нью-Йорк и др. 2009, ISBN 978-0-07-162696-5 ( отрывок из книги « Физическое описание полета» в виде файла PDF).
- Наоми Като, Синдзи Камимура: биомеханизмы плавания и полета. Спрингер, Токио, 2008 г., ISBN 978-4-431-73379-9 .
- Конрад Лоренц: Полет птиц. Неске, Пфуллинген, 1965.
- Хенк Теннекес: Простая наука о полете - от насекомых до гигантских самолетов . Пересмотренное и расширенное издание, MIT Press, Кембридж (Массачусетс), Лондон, 2009 г., ISBN 978-0-262-51313-5 .
веб ссылки
- Обширные учебные материалы на школьный телевизионный портал о Südwestrundfunk (SWR) ( в том числе видео - фильмов и веб - ссылок коллекции) на тему «Почему самолеты летают?»
- Информационная страница Четкая аэродинамика , созданная модельным аэроклубом.
- Подробные объяснения полета птиц на портале Университета Восточного Кентукки ( Bird Flight , на английском языке).
- Видео: Техника полета птицы . Институт научной кинематографии (IWF) 1980, представленной в технической информации библиотеки (ИРТ), DOI : 10.3203 / ФМО / D-1368 .
Индивидуальные доказательства
- ↑ Словарь происхождения (= Der Duden в двенадцати томах . Том 7 ). Перепечатка 2-го издания. Dudenverlag, Mannheim 1997 ( стр. 194 ). См. Также DWDS ( «летать» ) и Фридрих Клюге : этимологический словарь немецкого языка . 7-е издание. Трюбнер, Страсбург, 1910 г. ( стр. 141 ).
- ↑ http://www.swr.de/swr2/wissen/spinnen-koennen-fliegen/-/id=661224/did=12297428/nid=661224/1162x3/index.html
- ^ Ульрих Леманн: палеонтологический словарь , 4-е издание. Энке, Штутгарт, 1996 г.
- ^ Бенджамин Э. Диал, Ллойд К. Фитцпатрик: Успех ускользания от хищника в хвостатой и бесхвостой Scinella lateralis (Sauria: Scincidae). В: Animal Behavior 32, No. 1, 1984, pp. 301-302.
- ↑ Масанао Хонда, Хидетоши Ота, Мари Кобаяши, Джаруджин Набхитабхата, Хой-Сен Йонг, Цутому Хикида: Филогенетические взаимоотношения летающих ящериц, род Draco (Reptilia, Agamidae). В: Zoological Science 16, No. 3, 1999, pp. 535-549, DOI: 10.2108 / zsj.16.535 .
- ↑ Wunderwerk Vogelflug , Wildvogelhilfe, по состоянию на 21 июля 2014 г.
- ↑ Джанет Э. Харкер: Поведение роя и соревнование самцов у поденок (Ephemeroptera). В: Journal of Zoology 228, No. 4, 1992, pp. 571-587, DOI : 10.1111 / j.1469-7998.1992.tb04456.x .
- ↑ К.Г. Сиварамакришнан, К. Венкатараман: Поведенческие стратегии появления, роения, спаривания и навязывания поденок. (PDF) В: Учеб. Индийский акад. Sci. Том 94. № 3, июнь 1985 г., 351-357.
- ↑ Festo разрабатывает роботов на основе модели чайки на Golem.de
- ↑ https://www.youtube.com/watch?v=F_citFkSNtk Festo AirJelly, видео на YouTube, Airshipworld 22 апреля 2008 г., по состоянию на 19 ноября 2014 г.
- ^ Физическое описание полета
- ↑ http://science.orf.at/stories/1731687/ Изобретение: медуза учится летать, science.ORF.at, 15 января 2014 г.