Der aerodynamische widerstand

Mit Aerodynamischem Widerstand wird die Kraft bezeichnet, die sich aus dem Reibungswiderstand der Luft an den einzelnen Komponenten des Flugzeugs, dem Druckwiderstand dieser Komponenten sowie dem induzierten Widerstand zusammensetzt.
Der Reibungswiderstand der Luft entsteht durch die Zähigkeit der Luft, sowie der Oberflächenrauhigkeit der verschiedenen Bauteile eines Flugzeuges. Die Zähigkeit (Vikosität) "ist eine Folge der Kraftwirkung der Moleküle" untereinander. Sie ist eine innere Reibung, die zu folge hat, dass Luftmoleküle, die an einer Fläche reiben gebremst werden und die umströmende Luft mit abbremsen. Wie gut sich die Luftmoleküle an der Oberfläche festsetzen können bzw. daran haften können, hängt von der Oberflächenrauhigkeit sowie der Luftdichte ab. Man spricht von einer großen Rauhigkeit, wenn die Oberfläche des Stoffes stark uneben ist, wenn sie also nicht glatt ist sondern Höhenunterschiede aufweist. Auf diesen Stoffen finden die Luftmoleküle aufgrund der größeren Fläche im Vergleich zu einer glatten Oberfläche mehr Halt, so dass die Reibung zunimmt. Da die Luftzähigkeit proportional zur Luftdichte abnimmt, hat auch diese einen Einfluss auf die Reibung an den verschiedenen Elementen.
Der Druckwiderstand hängt im wesentlichen nicht von dem verwendeten Material sondern von der Form der Bauteile ab. So spielt der Staudruck der Luft, der auf die Bauteile wirkt, eine große Rolle. Wie stark jedoch der Staudruck auf ein Element des Flugzeugs wirkt hängt zum größten Teil von der Form des Gegenstandes ab. Nimmt man zum Beispiel eine Halbkugel und richtet diese mit der konkaven Seite einem Luftstrom entgegen, kann die Luft nur schwer ausweichen, daher kann der Staudruck gut auf die Halbkugel wirken. Auf diese Weise wirkt beispielsweise ein Fallschirm, da die Luft nämlich zu den Seiten kaum ausweichen kann. Dreht man diese Halbkugel um, dass die konvexe Seite in Richtung des Windstroms gerichtet ist, ist es für die Luft relativ einfach über die abgeflachten Seiten auszuweichen, daher ist hier der Druckwiderstand relativ gering. Im Großen und Ganzen kann man daher sagen, dass der Druckwiderstand immer geringer wird, wenn die Form des Gegenstandes immer spitzer zuläuft, da es hier für die Luftströmungen einfacher wird sich anzupassen. Ebenso entstehen bei solchen Körpern weniger Verwirbelungen, die dem Körper Energie entziehen würden, diese Körper nennt man Stromlinienkörper.
Die Formel für den Aerodynamischen Widerstand lautet:


In Worten bedeutet diese Formel, dass der Widerstand von dem Staudruck ,der auf die Fläche A wirkt und dessen Form abhängig ist, die durch den Widerstandsbeiwert einbezogen wird. Der Widerstandsbeiwert gibt also an, wie aerodynamisch ein Körper geformt ist. Desto kleiner sein Widerstandsbeiwert ist, desto weniger aerodynamischer Widerstand entsteht. Die konstante wird nicht direkt errechnet sondern durch Experimente im Windkanal empirisch untersucht (siehe Kapitel 3.1.2). Um den Widerstand für das gesamte Flugzeug zu erlangen, ist es jedoch nicht möglich, die einzelnen Beiwerte zu addieren und durch die Anzahl der Elemente zu dividieren sondern man muss deren Flächen berücksichtigen.
Daraus ergibt sich die Formel:

Jedoch ist auch diese Formel immer noch leicht fehlerhaft, da sich die einzelnen Strömungen an den verschiedenen Bauteilen gegenseitig beeinflussen und somit ein leicht anderes Verhalten zeigen als in den Windkanaltests. Die Widerstandsveränderung die hier auftritt, nennt man Interferenzwiderstand. Verbessern sich die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeuges, spricht man von einem negativen Interferenzwiderstand, verschlechtern sie sich, spricht man von einem positiven Interferenzwiderstand.
Desweiteren treten an den Flügelaussenseiten, aufgrund des Druckunterschieds zwischen Ober- und Unterseite (siehe Kapitel 3.4), Verwirbelungen auf, die dem Flugzeug Energie entziehen und somit als Widerstand zählen. Sie entstehen dadurch, dass die Luftmassen an den Aussenseiten der Tragflächen den Druckunterschied ausgleichen. Daher strömt die Luft über die Ränder von unten nach oben, wodurch starke Wirbel entstehen, die dem Körper Energie entziehen. Auch dieser sogenannte induzierte Widerstand läßt sich mit der Oben genannten Formel berechnen lediglich ein anderer Beiwert ist notwendig: