Warum fliegt ein Drachen nach oben?

@ G.Eheim
Diesen Link wollte ich ursprünglich auch aufschreiben. Aber leider hat die NASA für uns das Problem der Stablosen dort auch nicht gelöst...

@ Realist_50
Ich denke, eine der Topp-Adressen ist die von Peter Lynn. Er untersucht seit etlichen Jahren, warum insbesondere stablose Drachen fliegen, und wie man sie beeinflussen kann.
» Technical_Kites_Papers

Frag mal 8er Lutz, der hat eine Matte gebaut mit der u.a.
Equipment für Funk in die Luft gezogen wird ....

e-mail:

lutz8er@aol.com
- Editiert von Sauls0005 am 05.06.2011, 14:37 -

Hallo Norbert, Drachen fliegen nicht, sondern die Erde hängt an der Drachenschnur.

klar ,und gut das sie nach oben fliegen denn wenn sie nach unten fliegen würden hätten wir das geld für die schnüre umsonst ausgegeben

Zitat von Kub

klar ,und gut das sie nach oben fliegen denn wenn sie nach unten fliegen würden hätten wir das geld für die schnüre umsonst ausgegeben

Sieh's positiv: Du könntest mit 100m Schnur viel mehr Drachen auf einmal fliegen lassen...

als DRANGLER brauch man auch keine höhenfreigabe :H: :H: :H:

Zitat von Saarkite

Hallo Norbert,
bei deiner Frage, die sich ja jetzt mit Drachenphysik eher beschäftigt, verweise ich gerne auf die Artikel von Ralf Dietrich.
Er hat einiges Artikel über die Physik des Drachens verfasst und liefert dort auch viele Erklärungen.
Schau doch einfach mal rein...

Drachenphysik1 - Fliegen nach Zahlen

Drachenphysik2 - Winkelzüge

Drachenphysik3 - Ausgewogen

Vielleicht findest du ja dort einge Erklärungen.

Alles anzeigen

Hallo, dein 2. Link erzeugt einen Fehler, weil ein "http://" zuvel drin ist.
Der hier müsste gehen:
Drachenphysik2 - Winkelzüge

Außerdem möchte auch ich wissen, warum z.B. Sleds (auch stablose Pocketsleds) und Parafoils so stabil fiegen, obwohl sie doch eine negative Wölbung (vergleiche mit "negative V-Form" im teil 1 der Downloads) haben: die Seiten-Bereiche liegen im Flug tiefer als die Mittelachse.

Gruß Maxi

- Editiert von Drachenbauer am 15.06.2011, 20:22 -

Zitat von Saarkite

[...]
Drachenphysik1 - Fliegen nach Zahlen

Drachenphysik2 - Winkelzüge

Drachenphysik3 - Ausgewogen
[...]

Hi,
ich will Ralf nicht zu nahe treten, aber diese Erklärungen sind in meinen Augen die unsachlichsten, fehlerhaftesten und irreführendsten Erklärungen zu dem Thema, die ich je gelesen habe. (Sorry für die klaren Worte)

Die physikalisch-technische Antwort ist eigentlich recht simpel: die Summe aller am Drachen auftretenden Kräfte und Momente ist nur in der vom Drachen eingenommenen Flugposition gleich Null.

Anders ausgedrückt: befindet er sich nicht in seiner idealen Flugposition, sondern z.B. flach und seitlich, dann erzeugen die auftretenden Kräfte und Momente in ihrer Summe eine aufrichtende Kraft, bzw. ein aufrichtendes Moment, das den Drachen in Richtung seiner idealen Flugposition bewegt.

Der Grund warum das so ist, liegt in der komplexen Aerodynamik, die mit der von Flugzeugen identisch ist.

Beispiel: Ein Drachen macht einen Hochstart an voller Leinenlänge. - Kurz nach dem Start fliegt der Drachen noch mit einem flachen Leinenwinkel (großer Anstellwinkel zum Wind), strebt aber nach oben weil die Auftriebskräfte nicht nur eine reine Zugkraft entlang der Leine erzeugen, sondern auch (vom Drachen ausgesehen) nach vorne (entlang seiner Längsachse). Diese kurz nach dem Start noch recht kleine Kraft bewirkt, dass der Drachen steigt. Im weiteren Verlauf des Steigflugs wird diese Kraft zunächst grösser weil das Flügelprofil (das Segel) in einen besseren Anströmwinkelbereich kommt. Hier wird auch die entlang der Flugschnur gerichtete Auftriebskomponente deutlich stärker.
Anschliessend kommt der Drachen so hoch, dass sein durch die Waage erzwungener Anstellwinkel gegenüber dem Wind zunehmend flacher wird und die Auftriebskräfte insgesamt wieder abnehmen. Mit dieser Abnahme der Auftriebskräfte und dem gleichzeitig immer flacher werdenen Anstellwinkel wird die nach vorne gerichtete Kraft, die den Drachen anfangs steigen liess, immer kleiner, so dass sie am Ende nur noch gerade so ausreichen, den Drachen an Ort und Stelle zu halten, damit er nicht vom eigenen Luftwiderstand (die nach hinten gerichtete Kraft) wieder runter gedrückt wird. Es gibt also eine Position, in der sich die aufrichtenden und abrichtenden Kräfte genau die Waage halten. Genau dort bleibt der Drachen stehen.

Gleiches passiert auch mit den seitlichen Kräften. So dass sich letztlich eine feste Position am Himmel ergibt.

Böen, Turbulenzen usw. ändern jetzt schlagartig einen Teil der Gleichung - ändern also das physikalische Gleichgewicht, so dass die Summe der Kräfte und Momente nicht mehr Null ist - mit der Folge, dass der Drachen sich entlang der nicht kopensierten Kräfte bewegt - solange bis wieder Gleichgewicht herrscht und das Spiel von vorne beginnt.

Warum stehen verschiedene Drachen mit verschiedenen Leinenwinkeln? Die Antwort ergibt sich aus dem oben Geschilderten: z.B. kann der eine Drachen einfach einen grösseren Luftwiderstand haben als ein anderer. Dann muss er in einem Anstellwinkelbereich fliegen, bei dem die vorwärts gerichtete Kraft noch ausreichend gross ist, den Luftwiderstand zu kompensieren. Er steht also mit einem flacheren Leinenwinkel.

Ähnlich ist es, wenn man z.B. bei einem Zugdrachen die Waage so einstellt, dass er einen steileren Anstellwinkel hat. Der steilere Anstellwinkel bewirkt einen größeren Luftwiderstand, so dass der Drachen flacher steht, aber gleichzeitig auch mehr Zug entlang der Flugleine erzeugt.

Übrigens: die Flugphysik eines Drachen zu erklären, ohne die durch die Leine eingebrachten Kräfte zu berücksichtigen (wie bei den von mir kritisierten Links der Fall) kann nicht erschöpfend zum Ziel führen, da dadruch ein für den Drachenflug wesentlicher Teil der Physik vernachlässigt wird...

Gruß,
Dietmar

PS: wenn Peter Lynn noch nach der Antwort sucht, warum stablose Drachen fliegen, dann sollte er sich mal die ersten Semester Aerodynamik an einer technischen Hochschule anhören. (Klingt jetzt vieleicht ein wenig arogannt - ist es vieleicht auch - aber so ist es.)

Die Zusammenhänge (auch für sog. Inflatable Structures) sind schon seit Jahrzehnten bekannt: der innere Druck der die Form eines Stablosen bewahrt, wird durch den Staudruck in den vorderen Öffnungen erzeugt. Bildet die Form zufälligerweise eine insgesamt nach oben gerichtete Auftriebskraft, fliegt der Drachen. Der Wind, der auf die äusseren Flächen "drückt" lässt dann den Drachen auch nicht wieder zusammenfallen, weil z.B. auf der Oberseite sogar ein Unterdruck entsteht, der den Drachen weiter aufgebläht hält. Nur wenn das (sensible) Gleichgewicht z.B. durch Böen gestört wird, kann er in sich zusammen fallen und runter kommen.
Die restliche Aerodynamik ist identisch mit der anderer Drachen. Wichtig bei Stablosen ist nur der Punkt, dass der innere Druck größer ist als der äussere. Und das wird durch den Staudruck auf die Zuluftöffnungen bewirkt.

Hi!
Im Folgenden habe ich die Reihenfolge der zitierten Passagen aus Dietmars Beitrag verändert, weil's mir so "besser in den Kram" passte. Also nicht verwirren lassen!

Zitat von DK

Übrigens: die Flugphysik eines Drachen zu erklären, ohne die durch die Leine eingebrachten Kräfte zu berücksichtigen (...) kann nicht erschöpfend zum Ziel führen (...)

Stimmt auffallend! :H:

Zitat von DK

(...) der innere Druck der die Form eines Stablosen bewahrt, wird durch den Staudruck in den vorderen Öffnungen erzeugt.

Meine Meinung: Das stimmt auffallend nicht!
Druck, erzeugt durch den Rückstau im Innern eines (beliebigen) Gebildes, besteht nicht nur an den (vorderen) Öffnungen, sondern überall in der Hülle. Ich vermute, daß dabei an verschiedenen Punkten innerhalb der Hülle, abhängig von der Formgebung, unterschiedliche Drücke gemessen werden könnten.

Zitat von DK

Bildet die Form zufälligerweise eine insgesamt nach oben gerichtete Auftriebskraft, fliegt der Drachen.

Naja, etwas unglücklich ausgedrückt. Es ist ja nicht die Form, welche die Auftriebskraft bildet. Die Form ist allerdings ursächlich für die Entstehung jeder möglichen Kraft.

Zitat von DK

Der Grund warum das so ist, liegt in der komplexen Aerodynamik, die mit der von Flugzeugen identisch ist.

Dem kann ich vorbehaltlos zustimmen. :H:

Aber:
Ein Drachen könnte genau so gut nach unten, nach links oder rechts fliegen. Daß er nach oben fliegt, liegt einzig und allein an der Erdanziehungskraft!

Könnte man die Konstante der Gravitation aus den Betrachtungen streichen, würde ein einleiniger Drachen mit perfekten Flugeigenschaften relativ immer die gleiche Position zum Ankerpunkt der Leine einnehmen.
Die möglichen Positionen kann man sich gut vorstellen, wenn man sie z.B. auf ein herkömmliches Koordinatensystem (zweidimensional, vier Quadranten) überträgt: Dabei wird angenommen, daß der Ankerpunkt der Leine (= Position des Betrachters) in 0;0 liegt, daß der Wind aus einer Richtung kommt, die auf einer in Punkt 0;0 senkrecht zum zweidimensionalen Koordinatensystem zu errichtenden Achse liegt und die Windgeschwindigkeit überall konstant ist.
Der Drachen würde stets eine Position am äußersten Windfensterrand einnehmen und dort verharren. Dabei kann die eingenommene Position auf jedem beliebigen Punkt einer Kreislinie um 0;0 sein. Wie groß der Kreis ist, hängt davon ab, welche Flugeigenschaften der Drachen bietet und wie lang die Flugleine ist. Wo auf der Kreislinie der Punkt letztlich ist, an dem der Drachen sich positioniert, wird nur noch durch die Startrichtung und mögliche Unregelmäßigkeiten während des Starts bzw. "Steigflugs" beeinflusst.

Damit ist die Frage "Warum fliegt ein Drachen nach oben?" ganz klar beantwortet: Weil wir die Kraft der Erdanziehung nicht abschalten können. :L

Hi,

bei der Sache mit dem Staudruck habe ich mich nicht präzise genug ausgedrückt.
Der Staudruck, der an der Nase eines jeden Profils (der Begriff ist hier im weitesten Sinne zu verstehen - also auch die Form eines stablosen Heinzelmännchen betrachte ich hier als "Profil") wirkt, ist nicht gleich dem Innendruck, sondern sorgt lediglich dafür, dass aus der Staudruckzone genügend Luft ins Innere des Drachen stömen kann. Der tatsächliche Volumenstrom, der ins Innere strömt ist vergleichweise klein (hängt davon ab, wie dicht die Drachenhülle ist).

Was den Innendruck angeht, müsste man vieleicht noch etwas genauer sein: zunächst wirkt Druck auf die Innenseiten eines geschlossenen Volumens an jeder Stelle gleichermassen. D.h. man kann an jeder Stelle der Innenfläche den gleichen Druck messen.
Dies trifft bei einem Stablosen aber so nicht uneingeschränkt zu, denn 1. ist ein Stabloser nicht geschlossen und 2. gibt es noch andere Druckkräfte ausser dem reinen Innendruck.

Bezüglich dem 1. Punkt muss man aber folgendes sagen: eine ideal gestaltete Nasenöffnung ist genau so gross, dass bei idealem Staudruck der Volumen-zu-strom in den Drachen genauso gross ist, wie der Volumen-ab-strom aus dem Drachen (durch den Stoff, Nähte, Löcher usw.). Hierdurch ergibt sich ein Gleichgewicht, das einen konstanten Innendruck erzeugt.

Ist die Öffnung zu klein, kann der Innendruck nicht aufrecht erhalten werden - ist die Öffnung zu groß hat man aerodynamisch wirksame Fläche verschenkt.

Der Staudruck kann einen Drachen dann grundsätzlich aufgebläht halten weil üblicherweise der Druck in der Staudruckzohne (positiv) größer ist als beispielsweise an der Unterseite des Profils. Auf der Oberseite herrscht sowieso meistens Unterdruck, so dass der Staudruck in der Regel ausreicht, um die Unterseite des Drachen gegen den Wind aufzublähen.

Der reine Innendruck dürfte also an jeder Stelle des Drachen gleich sein - nicht jedoch die Summe der angreifen Druckkräfte (Punkt 2) - also Innendruck + Aussendruck.

Eine weitere Frage, die hier gestellt wurde ist, warum z.B. ein Sled mit seiner stark nach unten gebogenen Segelfläche strotzdem immer nach oben strebt.
Die Antwort ist ebenfalls einfach: die Auftriebskräfte an der Oberseite des Segels gehen zwar an den äusseren Bereichen nach aussen, jedoch heben sich die nach aussen gerichteten Kräfte jeweils mit denen der gegenüberliegenden Seite auf - übrig bleibt nur noch die nach oben gerichtete Komponente.
Das alleine erzeugt aber noch keine Flugstabilität, sondern zunächst erstmal nur eine Kraft, die mehr oder weniger entlang der Flugleine nach oben wirkt.

Die Flugstabilität entsteht hier wiederum durch die Waage.
Dazu erstmal ein paar grundsätzliche Dinge: die Waage bewirkt, dass die Leinenkräfte (nach unten/vorne gerichtet) genau durch den sog. Druckpunkt des (Flügel-)Profils gehen und immer einen leicht nach unten gerichteten Anstellwinkel des Drachen bezogen zu seiner leinengebundenen Flugrichtung (auf einer Kugeloberfläche um den Leinenankerpunkt) erzwingen.

Neigt sich ein Drachen zur Seite und fliegt seitlich im Windfenster, bewirkt die Gravitation, wie Karsten richtig bemerkte, dass das Kräftegelichgewicht asymmetrisch so verschoben wird, dass eine aufrichtende Kraft entsteht.
Warum? Ganz einfach: egal wo der Drachen im Windfenster auf seiner möglichen Kugelschale fliegt, die aerodynamischen Kräfte wirken immer bezogen auf des Drahenkoordinatensystem, das beim seitlichen Fliegen eben seitlich geneigt ist. Die gravimetrischen Kräfte jedoch wirken immer kartesisch (also senkrecht nach unten). Fliegt er seitlich im Windfenster wirk die Gewichtskraft immer noch nach unten, während die Auftriebskraft aber immer noch radial wirkt. Diese Asymmetrie der Kräfte lässt eine Komponente der aerodynamischen Kräfte unkompensiert, die den Drachen wieder in Richtung des Azimuts (nach oben im Windfenster) bewegen will.

Entscheidend - und das wird jeder erfahrene Drachenpilot instinktiv wissen: bei eigenstabilen Drachen (z.B. Eddy, Roller usw.) reicht eine Waage, die den Drachen lediglich einen Anstellwinkel aufzwingt - also um die Querachse fixiert. Um die Längsachse darf er noch frei kippen.
Bei instabilen Drachen, benötigt man zusätzlich eine Waage, die den Drachen seitlich fixiert. Typisches Beispiel: der Sled. Er hat beides: die v-förmige Waage erlaubt es dem Drachen nicht seitlich um seine Längsachse zu kippen.
Der Waagepunkt rechts und links liegt wiederum so tief unter dem Druckpunkt des Segels, dass hierdruch ein fester Anstellwinkel erzwungen wird. Der Drachen ist also sowohl um die Quer- als auch um die Längsachse fixiert.

Aerodynamsich äusserst interessant sind übrigens Flachdrachen mit Einpunktwaage. Aber das würde hier zu weit führen.

Gruß,
Dietmar
- Editiert von DK am 19.06.2011, 00:39 -

Zitat von DK

Aerodynamsich äusserst interessant sind übrigens Flachdrachen mit Einpunktwaage. Aber das würde hier zu weit führen.

Ich glaube, bei solchen Drachen gibt das Gestänge bedingt durch dn winddruck etws nach und so bildet das Segel während des Fluges zuminest eine leichte Wölbung, die den Drachen dann bereits ein wehnig stabilisiert. außerdem haben diese meist einen langen Schwanz, der zusätzlich stabilisiert

Hudora Drachen
Ich habe den gelben mit dem Gesicht, der in diesem Link zu finden ist.
Den habe ich nach einem Drachenfest gefunden, das in Berlin im Marzaner Garten stattfand, als die stände zusammen gepackt wurden und die meisten Gäste wieder weg waren.
Diese Drachen sind ein gutes Bispiel für eine Stabilisierede Wölbung, die nur im Flug entsteht.
Ich habe übrigens den gelben mit dem Gesicht, den habe ich nach einem Drachenfest gefunden, das in Berlin im Marzaner Garten stattfand.
Das Gestänge dieser Drachen (und auch von einpaar Werbedrachen in meinem Besitz) besteht aus 2 durchgehenden Stäben, von denen der Waagerchte etwas länger als die Spannweite und sehr biegsam ist.
Er wird in form eines Bogens eingesteckt, dessen Mitte richtung Drachennase weist und zwischen Kielstab und Segel mit in den vorderen Waagepunkt eingebunden ist.
Liegen Solche Drachen am Boden, dann sind sie ganz flach und eben, fliegen sie aber im Wind, dann wölben sie sich und das Segel bauscht sich an den Schleppkanten.

Ich vermute, dass selbst eine kau wahrnehmbare, vom Wind erteugte Wölbung schon etwas flugstabilität bringt