Überschallflug ohne „Bang“.
...Stellen wir uns ein linsenförmiges Profil vor, das in eine Überschallgasströmung eingetaucht ist. Es entstehen (angeheftete) Stoßwellen, ebene Wellen. Zwei dieser Wellen gehen von der Vorderkante aus, zwei weitere befinden sich in der Nähe der Hinterkante. In perspektivischer Darstellung:
Seitenansicht:
Hydraulische Analogie.
...Es gibt eine sehr einfache Möglichkeit, den Mechanismus der Stoßwellenbildung durch Analogie zu verstehen. In einer freien Flüssigkeitsströmung ist die Ausbreitung der Oberflächenwellen äquivalent zur Schallausbreitung in einem Gas. Nehmen wir beispielsweise eine ruhende Flüssigkeitsmasse. Ein Angler beobachtet seinen Schwimmer und zieht leicht an seiner Schnur. Dieser Schwimmer wird schwingen und die Entstehung kreisförmiger Wellen auslösen, die sich mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Sekunde ausbreiten:
...In Ihrer Badewanne erzielen Sie dasselbe Ergebnis, indem Sie einen Zahnstocher oder ein Streichholz von unten nach oben bewegen.
Wenn sich das Fluid bewegt (Draufsicht), werden diese kreisförmigen Wellen, die nicht gleichzeitig ausgesandt wurden, aus der Mitte versetzt:
...Das rechte Bild entspricht einer „schallähnlichen“ Bewegung. Schallwellen sind das Bild einer Druckstörung in einem Gas. Diese Experimente zur hydraulischen Analogie, die einst an der École Nationale Supérieure de l'Aéronautique (Supaéro), an der ich studiert habe, gelehrt wurden, waren Gegenstand praktischer Übungen.
...Was passiert, wenn sich das Fluid mit einer Geschwindigkeit bewegt, die größer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen? Man erhält das folgende Schema:
..Die vom Objekt ausgesandten Störungen neigen dazu, sich entlang zweier vom Objekt ausgehender Linien zu akkumulieren.
...Nicht jeder hat einen Wasserlauf in Reichweite. Daher kann man, anstatt ein ruhendes Objekt in einer Flüssigkeitsströmung zu betrachten, ebenso gut das Objekt bewegen und dasselbe Ergebnis erzielen. Sie tun dasselbe im Wasser Ihrer Badewanne, indem Sie Ihr Streichholz oder die schärfere Spitze Ihres hölzernen Zahnstochers bewegen. Dann bilden sich sogenannte „Machsche Wellen“. Wenn man die Ausbreitungsgeschwindigkeit a der Oberflächenwellen und die Geschwindigkeit V des Objekts kennt, lässt sich der Machsche Winkel α leicht berechnen.
...Umgekehrt kann man, wenn man diesen Winkel α misst, die Geschwindigkeit V des Fluids berechnen.
...Diese Machschen Wellen werden umso flacher, je höher diese Geschwindigkeit V ist.
...Ein Überlauf ist ein ausgezeichnetes hydraulisches Laboratorium, in dem die Geschwindigkeit V variabel ist und flussabwärts zunimmt. Wenn man sein Streichholz ins Wasser legt, wird man Folgendes beobachten:
..Ein weiteres „hydraulisches Laboratorium“ ist ein offener Kanal. Die Unebenheiten an der vertikalen Oberfläche des Bordsteins, die mit dem fließenden Wasser in Kontakt sind, lösen Machsche Wellen aus, ebenso wie die an der anderen Seite des Flüssigkeitskanals. Die Wasseroberfläche wird durch dieses Wellennetz gestreift, das sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit der Strömung anzeigt. Das Fluid strömt entlang der inneren Winkelhalbierenden der Machschen Wellen. Wenn die Strömung im Kanal mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt, ist die Flüssigkeitsoberfläche mit kleinen Wellen, Machschen Wellen, gestreift, die „parallele Schraffuren“ bilden:
...Wenn die Wassergeschwindigkeit flussabwärts zunimmt, weil das Gefälle zunimmt, werden die Wellen flacher:
..Umgekehrter Phänomen, wenn das Fluid verlangsamt wird, weil das Gefälle abnimmt:
..Diese Verlangsamung in einem Kanal kann auf die Reibung des Wassers am Boden zurückzuführen sein, wenn die Wassertiefe hinreichend gering wird. Wenn Sie eine Strömung aus der Nähe betrachten, werden Sie Folgendes beobachten:
...Die Machschen Wellen richten sich auf, je näher man dem „Wasserrand“ kommt, da die Bodenreibung die Strömung verlangsamt. Wenn die Wellen senkrecht zur Strömung stehen, ist die Geschwindigkeit bis auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen abgesunken. Die Strömung ist „unterschallgeschwindig“ geworden. In diesem Bereich verschwinden die Machschen Wellen. Wenn Sie ein Streichholz oder eine Haarnadel in die Strömung tauchen, können Sie dies überprüfen.
...Es gibt also viel zu lernen aus der Beobachtung von Kanälen.
...Wenn der Kanal eine Kurve beschreibt, gibt es zwei Fälle. Hier ist der erste:
..Beim Durchfahren dieser Kurve beschleunigt sich das Wasser. Man erhält, was man in der Strömungsmechanik einen „Expansionsfächer“ nennt. Die Tatsache, dass sich die Charakteristiken abflachen, signalisiert diese Beschleunigung. Korrelierend sinkt die Wassertiefe, die dem Druck in einem Gas entspricht. Man kann diese Zeichnung vervollständigen, indem man die zweite Familie der Machschen Wellen darstellt:
....Für weitere Informationen über die MHD (Magnetohydrodynamik) verweise ich auf den Comic, den ich 1983 bei den Editions Belin, 8 rue Férou, Paris 75006, veröffentlicht habe. Sie können auch die CD-Version dieses Albums auf der „Cd-Lanturlu“ erhalten. Zugriff auf den Bestellschein durch Klicken auf das Symbol unten auf der Seite.
Zähler initialisiert am 1. Juni 2000