Arbeiten und Vorträge zur Physik des Fliegens


Nachfolgend findet sich eine Auswahl von Arbeiten mit der Ausrichtung auf die Physik des Fliegens. Für Arbeiten mit dem fachlichen Hintergrund Aerodynamik und Aeroelastik sei auf die Sammlung im biografischen Teil dlrhp verwiesen.

  • Projekt BigBird XL - Kommerzielle Nutzung des Biegetorsionsantriebs. Vortrag auf dem Deutschen Luft- und Raumfahrtkongress 2018 in Friedrichshafen mit nachfolgender Publikation.
Projekt BigBird XL - Kommerzielle Nutzung des Biegetorsionsantriebs
W. Send (10 S., 1.2 MB). Das Konzept für das unbemannte Luftfahrzeug BigBird XL wird vorgestellt, dessen Antrieb dem Schwingenflug in der Natur folgt. Die technische Umsetzung mit der Bezeichnung Biegetorsionsantrieb gestattet die funktionale Integration der beiden wesentlichen Merkmale Tragen und Schuberzeugung in den Flügeln des für kommerzielle Nutzung geplanten Luftfahrzeugs. Diese konstruktiven Merkmale führen zu einer nahezu lautlosen und hocheffizienten Fortbewegung. Beide Aspekte begründen den erwarteten wirtschaftlichen Erfolg. Bei einer Spannweite von 5 m ist BigBird XL ausgelegt für ein Abfluggewicht bis 25 kg und eine Nutzlast bis zu 10 kg. Die Auslegung des Luftfahrzeugs folgt aus der Vorgabe der primären Eckdaten Evolutionsgrad, Gewicht und Seitenverhältnis, aus denen unmittelbar die sekundären Größen Flächenbelastung, Flügelfläche und Spannweite folgen.
  • Evolution und Luftfahrttechnik - Vortragsfolien Jahrestagung vdbiol 2004. Eingeladener Vortrag auf der Festveranstaltung anlässlich des 50-jährigen Bestehens des Verbandes Deutscher Biologen, Bonn 2004. Aus aktuellem Anlass an diese vordere Position gerückt.
  Evolution und Luftfahrttechnik (16 S., 2.1 MB)
Eigener Standpunkt: „Stand das letzte Jahrhundert der Luftfahrt ganz im Zeichen des ‚starren‘ Flugzeugentwurfs, des konstruktiv vorgegebenen Optimums, so wird das neue 21. Jahrhundert das ‚flexible‘ Flugzeug entwickeln, das sich - in einem noch nicht absehbaren Ausmaß – der seit Millionen von Jahren beherrschten Adaptionsfähigkeit der fliegenden Lebewesen annähern wird.“
  • Subsidiäre Schuberzeugung mit gekoppelten Biege- und Torsionsschwingungen in transsonischer Strömung. Vortrag auf dem Deutschen Luft- und Raumfahrtkongress 1999 in Berlin (Jahrbuch 1999, S. 1469-1478, DGLR Jahrbuch 1999, Band III, C00 Disk, 598 MB). Die mehrfache Nachfrage und das aktuelle wissenschaftliche Interesse haben die Arbeit jetzt an diese Stelle gerückt.
  Subsidiäre Schuberzeugung mit gekoppelten Biege- und Torsionsschwingungen in transsonischer Strömung (10 S., 0.5 MB)

Die technische Nutzung der gekoppelten Biege- und Tor­­sions­schwingung (CBT - Coupled Bending and Torsion) zur sub­sidiären Schuber­zeu­gung wird sicherlich vor einer längeren Phase der Erpro­bung und Ent­wicklung stehen, bevor an einen Einsatz im Flug­zeug zu denken ist. Gleich am Anfang dieses Wegs steht jedoch die ent­scheidende Frage:

Ist Schuberzeugung durch CBT in trans­sonischer Strö­mung noch mög­lich und wie hoch ist der Wir­kungs­grad?

Die Arbeit belegt exemplarisch die Aus­sagen, dass

  1. die Gesetzmäßigkeiten der dynamischen Schub­er­zeu­gung mit CBT in subsonischer Strömung grund­sätz­lich auch in transsonischer Strömung gelten und dass
  2. der Wirkungsgrad von erziel­ter Schub­­­leis­tung zu auf­ge­­brach­ter Leistung bei Biegung und Torsion trans­sonisch eben­falls sehr hoch sein kann.

Im hohen aerodynamischen Wirkungsgrad um 90 % im Flügelquerschnitt wie in der dyna­mi­schen Auf­fächerung des Randwirbels beim 3D Flügel liegt auch der potentielle tech­nische Nutzen für die Wider­stands­­ver­min­derung bis hin zur subsidiären Schub­er­zeu­gung. Der Autor schlägt CBT (Coupled Bending and Torsion) für den länglichen Ausdruck gekoppelte Biege- und Torsionsschwingung vor und verwendet diese Kurzform in der Arbeit weitgehend.

  • Lilienthals Tafel VIII zum Schwingenflug: Vermächtnis und Ermutigung in der Sonderausgabe der Zeitschrift Luft- und Raumfahrt 2016 zu Ehren der 125. Wiederkehr der ersten Gleitflüge Otto Lilienthals im Jahre 1891 
Lilienthals Tafel VIII zum Schwingenflug: Vermächtnis und Ermutigung
W. Send (7 S., 1.1 MB). Gegenüber der gedruckten Fassung erweiterer Artikel.
Tafel VIII im Anhang zu Otto Lilienthals Hauptwerk "Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst" von 1889 zeigt in fünf Figuren alle Merkmale einer Storchenschwinge, die das Geschöpf in der Luft halten und ihm Bewegung verleihen. Mehr noch: die Tafel illustriert den Biegetorsionsantrieb schlechthin. In Millionen von Jahren hat die Evolution den Mechanismus in so vielfältigen Spielarten zur Vollkommenheit getrieben, dass der einfache physikalische Kern erst lange nach Lilienthal in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts herausgearbeitet und sichtbar wurde . Noch ohne diese Kenntnisse hat Lilienthal mit einer solchen fotografischen Genauigkeit beobachtet und gezeichnet, dass die geometrischen Abmessungen seiner fünf Figuren zusammen mit den kinematischen Angaben im Hauptteil seines Buches sich mühelos mit den theoretischen Befunden unserer Zeit in Einklang bringen lassen. 
  • SmartBird und DualWingGenerator - Die beiden Seiten schwingender Tragflächen. Eingeladener Plenarvortrag von W. Send auf dem STAB-Workshop 2015 am 10. und 11. November im Forschungszentrum Göttingen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR). 
   SmartBird und DualWingGenerator   (36 S., 207 MB)

  SmartBird und DualWingGenerator  (36 S., 11 MB)
Die Schuberzeugung mit schwingenden Tragflächen wie beim SmartBird bringt Leistung in einen Luftstrom hinein. Leistungseintrag und Leistungsentnahme wie mit dem DualWingGenerator sind die beiden Seiten der gleichen Medaille. Physikalisch liegt den beiden sehr unterschiedlichen Erscheinungen die gleiche physikalische Theorie zugrunde. Der Unterschied liegt in dem Amplitudenverhältnis von Schlagen und Drehen. Große Schlagamplitude und kleine Drehung erzeugt Schub, kleine Schlagamplitude bei großer Drehung entnimmt Leistung.

Der Vortrag geht auf die Physik ein und erzählt über die beiden Projekte. Die Präsentation ist um einige lange Filmsequenzen gekürzt worden. Das am Ende erwähnte Projekt BigBird XL für die kommerzielle Nutzung des Biegetorsionsantriebs, des Schwingenflugs nach Art der Vögel, ist inzwischen erfolgreich gestartet worden und wird seit September 2017 aus Mitteln des Zentralen Innovationsprogramms ZIM des BMWi gefördert. Dr. Send hat sich seit 2015 um dieses Projekt  bemüht und ist über die Steinbeis gGmbH für die wissenschaftliche Betreuung eingestellt.    
  • Leonardo 2.0: Zur Evolution des Fliegens. Eingeladener Plenarvortrag von W. Send anlässlich der 128. Versammlung der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte e.V (GDNÄ) am 15. September 2014 in Mainz
   Leonardo 2.0: Zur Evolution des Fliegens   (28 S., 11 MB)

  Leonardo 2.0: Zur Evolution des Fliegens  (28 S., 8 MB)
Im April 2011 faszinierte der künstliche Vogel SmartBird Medien und Menschen auf der ganzen Welt. Der Traum vom Fliegen wie die Vögel hatte technische Gestalt angenommen mit einer Natürlichkeit und Wendigkeit, die Zeichnungen und Deutungen von Leonardo da Vinci bis Otto Lilienthal plötzliche Lebendigkeit einzuhauchen schien. In der nüchternen Sprache der Physik verliert das Geheimnis des Fliegens seinen schillernden Glanz und kondensiert zu genauen Beobachtungen und klaren Beschreibungen. Auftrieb, Widerstand und Schub sind Säulen der Begrifflichkeit, auf denen die Physik des Fliegens ruht. Begriffe und Erscheinungen werden durch das Experiment lebendig vermittelt. Windkanal mit Flügeln und Rundlauf mit künstlichem Vogel auf der Bühne bieten Erlebnis und Aufklärung zugleich.
Günther und Rainer Mugrauer vom SmartBird Team (mit ihrer Firma Airstage) lassen SmartBird im Vortragssaal fliegen. Für Send ist der Konstrukteur von SmartBird Rainer Mugrauer "der Mozart unter den Modellbauern" (so in dem folgenden Video konstatiert), mit einer einzigartigen konstruktiven Begabung und Intuition für das Fliegen. Der Zuschauer Andreas Geist hat den Flug als Video aufgezeichnet. Der Film ist auch unter Youtube verfügbar.
  • Physik des Fliegens in den Physikalischen Blättern 2001
Physik des Fliegens
W. Send (8 S., 0.8 MB), Physikalische Blätter 6/2001, S. 51-58 (seit 2002: Physik Journal).
Der Artikel behandelt einige Fragen zur Lösung des Umströmungsproblems in der klassischen Aerodynamik. Insbesondere findet sich die Erklärung für das Entstehen einer Auftriebskraft in einem so genannten idealen Fluid, in dessen mathematischer Beschreibung (Impuls- und Energiesatz) Viskosität explizit nicht mehr auftritt.
  • Leserbrief an die Physikalischen Blätter und die Antwort des Verfassers
  • Mathematische Grundlagen des Fliegens erklärt in einem Vortrag am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Potsdam, am 5. März 2007
  Mathematische Grundlagen des Fliegens (35 S., 7 MB)
Ausgangsgleichungen für die Lösung von Umströmungsproblemen. Die Vereinfachungen für das "ideale Fluid".
  • Der Traum vom Fliegen in der Zeitschrift Naturwissenschaftliche Rundschau 2003
  Der Traum vom Fliegen
W. Send (9 S.,12 MB), NR 2003, Heft 56, S. 65-73. Könnte der Mensch fliegen wie ein Vogel? Und wieviel Leistung wäre dazu mindestens erforderlich? Es ist machbar für die besten Athleten des Radsports - aber nur für kurze Zeit. Ein Volkssport wird es nie werden können. Zu weit ist der Mensch entfernt von physischen Voraussetzungen, fliegen zu können wie ein Vogel.
Anmerkung: 2010 wurde die Abschätzung von rund 600 W in dem Artikel von dem kanadischen Studenten Todd Reichert tatsächlich in einem Flug von 145 m Länge und knapp 20 s Dauer bestätigt. Die Leistung betrug 620 W.
  • The Da Vinci Vortex  Public experimental lecture on the occasion of the 12th International Symposium on Flow Visualization, 10 - 14 September 2006 in Göttingen.
  The Da Vinci Vortex (30 S., 30 MB)
Among others, Leonardo da Vinci's famous drawing of the vortices behind an inclined plate is demonstrated using a small water tunnel. The video clips in the presentation are included in the corresponding subdirectory and may be downloaded individually.
The complete lecture including the videos: WSend_ISFV12_DaVinciVortex.zip (220 MB)
In dem Vortrag wird u.a. experimentell Leonardo da Vincis berühmtes Bild von den Wirbeln hinter einer angestellten Platte mit einem kleinen Wasserkanal gezeigt. Die Kurzfilme in der Präsentation sind im zugehörigen Unterverzeichnis abgelegt und können einzeln heruntergeladen werden.
Die ganze Vorlesung einschließlich der Videos: WSend_ISFV12_DaVinciVortex.zip (220 MB)
  • Auftrieb und Wirbeldichte beim Fliegen - Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG2002)
  Auftrieb und Wirbeldichte beim Fliegen
W. Send (10 S., 1.9 MB). DPG-Jahrestagung 18.-20.03.2002 Leipzig. Fachverband Didaktik der Physik, Arbeit DD3.2 . Erschienen in: Didaktik der Physik. Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG - Leipzig 2002, Hrsg. V. Nordmeier, ISBN 3-936427-11-9.
 Ergänzendes Bildmaterial mit Folien des Vortrags u.a. (21 S., 2.7 MB)
 
  • Auftrieb und Wirbeldichte beim Fliegen - Vortrag im Institut für Didaktik der Mathematik und Physik der Universität Hannover am 6. Juli 2006.
  Auftrieb und Wirbeldichte beim Fliegen (24 S., 3.4 MB)
Schwerpunkte sind der Zugang zu den 2D Lösungen in einem idealen Fluid, deren Eigenschaften und 3D die Beziehung zur flächenhaften Wirbeldichte als Grenzfall des Fluids mit sehr kleiner Reibung (L. Prandtl 1904)
  • Die Rolle der Wirbeldichte bei der Lösung von Umströmungsproblemen - Fortbildungsvortrag im Rahmen des Institutskolloquiums am Institut für Aeroelastik des DLR am 3. März 2009. 
  Die Rolle der Wirbeldichte bei der Lösung von Umströmungsproblemen (32 S., 6.1MB)
Nach einer Einführung zur Kinematik des Strömungsfeldes und zu den Erhaltungssätzen werden Methoden vorgestellt, CFD-Lösungen des Strömungsfeldes anhand der Erhaltung der Zirkulation auf ihre Genauigkeit hin zu überprüfen.
Die ganze Präsentation als PPT Datei einschließlich der Videos: WSend_DLR_Mar2009_RolleWirbeldichte.zip (14 MB)
  • Die "Triebwerke" der Vögel erklärt auf der Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1996. Eingeladener Experimentalvortrag.
  Der Mechanismus des Schwingenflugs (16 S., 0.3 MB)
Mit den Mitteln der Schulmathematik wird eine Näherung der Gleichungen hergeleitet, die das Prinzip der Schuberzeugung bei den fliegenden Lebewesen erklären.