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Welt der Physik – Warum fliegen Frisbees?

Weltderphysik.de : Warum fliegen Frisbees?

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Eine Frisbeescheibe kann lange durch die Luft schweben – das hat im Wesentlichen zwei Gründe: Erstens ist die Scheibe gewölbt und zweitens versetzt man sie durch den Wurf in Rotation. Die Wölbung bewirkt einen Sog nach oben, und die Rotation hat beim Fliegen einen stabilisierenden Effekt.

Die gewölbten Plastikscheiben fliegen schon eine ganze Weile in der Gegend herum. Den Anfang machten die Kuchenformen einer Bäckerei in den USA namens „Frisbie Pie Company“, deren Flugeigenschaften auffällig gut waren. Seit Ende der 1950er-Jahre vermarktete eine andere Firma ähnlich geformte Scheiben unter dem Namen „Frisbee“.

Gleich mehrere physikalische Effekte ermöglichen, dass eine Frisbeescheibe so lange und weit durch die Luft schweben kann. Zunächst einmal ist eine Frisbeescheibe gewölbt. Strömt die Luft über diese Wölbung, entsteht ein Auftrieb wie bei einem Flugzeugflügel. Die Ursache hängt mit dem sogenannten Bernoulliprinzip der Strömungsphysik zusammen. Oberhalb der Scheibe bewegt sich die Luft schneller als an der Unterseite. Denn der Weg an der Oberseite ist durch die Wölbung länger. Dadurch herrscht über dem Frisbee ein geringerer Luftdruck als darunter und es entsteht ein Sog nach oben.

Doch dieser Effekt reicht noch nicht aus, um die Frisbeescheibe längere Zeit in der Luft zu halten. Verleiht man ihr beim Wurf nämlich keine Rotation, beginnt sie sofort zu flattern und fällt rasch zu Boden. Typischerweise dreht sich die Scheibe achtmal pro Sekunde, wenn sie die Hand verlässt. Die träge Rotation einer Masse bezeichnen Physiker als Drehimpuls. Der Drehimpuls ist eine Erhaltungsgröße und garantiert einen stabilen und ruhigen Flug, denn er dämpft zufällige Störungen der Rotationsbewegung. Greift eine kippende Kraft an dem Flugobjekt an, wird sie gewissermaßen abgelenkt, was ein Kippen verhindert. Der gleiche Effekt hilft übrigens, dass ein Kreisel bei Störungen immer wieder in die aufrechte Rotation zurückkehrt.

Dieser Effekt lässt sich durch die Form einer Frisbeescheibe noch verstärken: Eine breite „Krempe“ am Rand erleichtert nicht nur das Fangen der Scheibe, durch sie ist auch mehr Gewicht am Außenrand konzentriert. Diese Masseverteilung erhöht den Drehimpuls des Frisbee zusätzlich – und führt damit zu mehr Stabilität. Außerdem sorgt die Krempe für eine Art Fallschirmeffekt. Fliegt die Scheibe langsam, dann sinkt sie ganz gemächlich zu Boden, weil sie dem Fall einen großen Luftwiderstand entgegensetzt.

Zu guter Letzt besitzen viele Frisbeescheiben konzentrische Rillen auf der Oberseite, die einen besonders raffinierten Zweck haben: Sie wirken dem sogenannten Strömungsabriss entgegen, der vor allem bei Flugzeugen gefürchtet ist. Über den Tragflächen entstehen bei diesem Phänomen große Luftwirbel, wodurch die Geschwindigkeit der Luft stark sinkt. Infolgedessen reduziert sich der erwünschte Aufwärtssog. Das kann sogar zum Absturz führen. Die Rillen auf der Frisbeescheibe lassen kleine turbulente Luftströme auf der Oberfläche entstehen. Über diese kleinen Wirbel hinweg strömt die Luft deutlich besser und die Luftströmung, die den Auftrieb erzeugt, reißt nicht so leicht ab.

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