Luftwiederstand, mal kühlt es, mal erhitzt es

pauli

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Wir wissen ja, dass die Kapseln beim Eintritt in die Atmosphäre durch die Reibung anfangen zu glühen, andererseits kühlt der Fahrtwind bei Motorradfahren. Nach welcher Regel/System wirkt der Luftwiederstand nicht mehr kühlend sondern erhitzend, wann kippt es und warum?
 

MGZ

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Wir wissen ja, dass die Kapseln beim Eintritt in die Atmosphäre durch die Reibung anfangen zu glühen, andererseits kühlt der Fahrtwind bei Motorradfahren. Nach welcher Regel/System wirkt der Luftwiederstand nicht mehr kühlend sondern erhitzend, wann kippt es und warum?

Naja, wieviel verstehst du denn von Thermodynamik?

Wenn du bei -20°C Motorrad fährst, wird dich in der Regel hauptsächlich der Wärmeaustausch mit dem umströmenden Gas abkühlen. Deine Geschwindigkeit ist klein gegen die der Gasmoleküle und es wird kaum kinetische Energie ausgetauscht.
Wenn du bei +30°C Motorrad fährst, wird wenig Wärme auf diese Weise ausgetauscht, weil die Luft genauso warm ist wie du. Dafür kühlt dich die Verdunstung von Wasser auf deiner Haut ab. Das Wasser braucht Energie, um in die Gasphase zu gehen, und die kommt teilweise aus deiner Haut.
Eine Kapsel beim Eintritt in die Erdatmosphäre ist viel schneller als die Gasmoleküle. Es kommt zu einer adiabatischen Kompression. Jede Menge kinetischer Energie wird von der Kapsel in die Moleküle übertragen, und dann auch auf die Kapsel zurück, sodass sich beides stark erhitzt.

tl; dr Es kommt auf die Geschwindigkeit der Maschine relativ zur Geschwindigkeit der Gasmoleküle an.
 

pauli

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Aber wiekann das sein, dass nur der Verdunstungseffekt für Abkühlung sorgt, was ist mit dem luftgekühlten Motor des Bikes, das ist für einen Kühlungseffekt konstruiert, ohne Verdunstung von Flüssigkeit?
 

mac

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Aber wiekann das sein, dass nur der Verdunstungseffekt für Abkühlung sorgt, was ist mit dem luftgekühlten Motor des Bikes, das ist für einen Kühlungseffekt konstruiert, ohne Verdunstung von Flüssigkeit?
Hallo Pauli,
um das zu verstehen mußt Du nur die Temperatur des Motors/Kühlers, der gekühlt werden soll, mit der Lufttemperatur vergleichen. Bei 500°C oder so Lufttemperatur wird es da auch nicht mehr viel Energieübertragung hin zur kälteren Seite geben.

Herzliche Grüße

MAC
 

Bernhard

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Aber wiekann das sein, dass nur der Verdunstungseffekt für Abkühlung sorgt, was ist mit dem luftgekühlten Motor des Bikes, das ist für einen Kühlungseffekt konstruiert, ohne Verdunstung von Flüssigkeit?
Für die Kühlung sorgt hier die sogenannte Konvektion. Die kann man beispielsweise für eine ebene Platte berechnen, über die ein gasförmiges Medium mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömt.

Die Erhitzung bei den Raumkapseln kann man über Reibung (Energieübertrag = Kraft * Weg) beschreiben. Bei der Erhitzung überwiegt der Wärmeübertrag über Reibung. Bei Kühlung überwiegt die Konvektion.
 
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Bynaus

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Entgegen der landläufigen Meinung hat die Erhitzung der Kapsel kaum etwas mit Reibung, und fast alles mit Kompression von Gasen vor der Kapsel zu tun. Beim Motorrad geschieht dies nicht, weil das Gas ausweichen kann. Die Kapsel bewegt sich schneller als die Schallgeschwindigkeit, somit bleibt dem Gas keine Möglichkeit, auszuweichen und es wird deshalb komprimiert, erwärmt sich dabei. Diese Wärme überträgt sich dann auf die Kapsel bzw. deren Hitzeschild.

Interessant ist in diesem Zusammenhang auch die "Super Sonic Retro Propulsion" - dabei feuert eine Raketenstufe direkt in Flugrichtung. Das erzeugt eine Schockfront, die deutlich grösser ist als jene, die durch einen passiven Wiedereintritt entstehen würde. Die Wärme verteilt sich dadurch besser (das untere Ende der Raketenstufe erwärmt sich weniger), und die Geschwindigkeit wird auch schneller abgebaut. Insgesamt sinkt so die Belastung für die Rakete. SSRP wird im Moment nur durch die Falcon 9 von SpaceX durchgeführt, aber auch die New Glenn und später SpaceX's BFR sollen diese Methode ebenfalls verwenden.
 

Protuberanz

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Bis Bynaus diese Bezeichnung ins Spiel brachte, wußte ich noch nicht einmal, das so etwas existiert.
Wer der Ideengeber ist, kann ich nicht sagen. Aber ich finde diese Technologie sehr interessant und habe deshalb ein wenig gestöbert.
So bin ich unter anderem, über dies hier gestolpert.
Ich weiß nicht, ob das für Dich auch interessant sein könnte. Wenn nicht, dann ignoriere den Link einfach.
 

Bernhard

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Ich weiss nicht, wer die Idee ursprünglich hatte.
Es war auch eine Frage ganz ohne Hintergedanken, also ganz im Sinne von völlig entspanntem Smalltalk :) .

Das Landen von Raketen halte ich noch immer für einen ganz "großen Wurf". Die Vorstellung in einer Stunde von Europa nach Australien reisen zu können, hat schon etwas von StarTrek und hat zudem das Zeug die Welt mal wieder grundlegend zu ändern.

Vielen Dank noch für den obigen Hinweis auf die richtige Erklärung zur Erhitzung beim Wiedereintritt. Das war mal wieder sehr lehrreich.
 

gromit

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Wir wissen ja, dass die Kapseln beim Eintritt in die Atmosphäre durch die Reibung anfangen zu glühen, andererseits kühlt der Fahrtwind bei Motorradfahren. Nach welcher Regel/System wirkt der Luftwiederstand nicht mehr kÃühlend sondern erhitzend, wann kippt es und warum?

Was Du meinst, ist sicherlich der Luftwiderstand. :)

Wie hier schon einige erklärt haben, hängt es schon mal vom Temperaturunterschied ab, der in diesem Fall in den oberen dünnen Luftschichten aber kaum eine Rolle spielt. Dort sind nur wenige Luftmoleküle, also ist deren Wärmekapazität sehr gering. Das Medium Luft ist dort zwar sehr kalt, kann diese Kälte aber kaum übertragen. Allerdings wirkt bei den sehr hohen Geschwindigkeiten beim Eintritt eine starke Kompression, die gemäß Thermodynamik zu extrem hohen Temperaturen und hoher Dichte führt. Dies überträgt sich dann auf den Eintrittskörper. Also hat man so gut wie keine Kühlung, dafür wegen der Geschwindigkeit/Kompression eine hohe Erhitzung. Beim Motorrad überwiegt der Kühlungseffekt deutlich, da hier bei relativ hoher Luftdichte eine höhere Wärmekapazität der kühlen Umgebungsluft für eine Wärmeabfuhr sorgt und der Kompressionseffekt vernachlässigbar klein ist. Zusätzlich kann hier auch noch ein Verdunstungseffekt bei nasser/feuchter Oberfläche (z.B. Haut) kühlend wirken.

PS: Wieso hab ich jetzt den falschen Zeichensatz ? :confused:
 
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pauli

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ja, es war natürlich Luftwiderstand gemeint, und der Aspekt "Kompression" war für mich völlig neu, und nicht nur mir, habe mal so im Laien-Kollegenkreis rumgefragt, das wusste kaum einer bzw. erst nach längerem Hin und Her wurde das in Erwägung gezogen.
 
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