Modul 2: Physik — Überblick

Modul 2 des EASA Part-66-Grundwissenslehrplans vermittelt die grundlegenden physikalischen Prinzipien, die allen Flugzeugwartungstätigkeiten zugrunde liegen. Dieses Modul ist nicht nur eine akademische Übung; es bildet die wissenschaftliche Grundlage für das Verständnis des Motorbetriebs, struktureller Lasten, hydraulischer und pneumatischer Systeme sowie des aerodynamischen Verhaltens. Für die Kategorie B1.2 (Flugzeuge mit Kolbenmotor) sind fundierte Kenntnisse der Mechanik, Thermodynamik, Fluiddynamik und der grundlegenden Elektrizität für eine sichere und effektive Wartungspraxis unerlässlich.

Das Modul ist um mehrere Kernbereiche strukturiert: Materie und SI-Einheiten, Mechanik (Statik, Kinematik und Kinetik), Thermodynamik und Wärmeübertragung, Fluiddynamik und Aerodynamik sowie grundlegende Elektrizität. Dieses Lehrbuchkapitel fasst das für die B1.2-Prüfung erforderliche Wissen zusammen und konzentriert sich auf die praktischen Anwendungen, denen ein freigabeberechtigtes Personal täglich begegnet.

2.1 Materie, SI-Einheiten und fundamentale Größen

Das Internationale Einheitensystem (SI)

Die Luftfahrtindustrie und insbesondere die EASA-Vorschriften schreiben die Verwendung von SI-Einheiten für alle Wartungsdokumentationen und -verfahren vor. Ältere Flugzeuge und in Amerika hergestellte Komponenten verwenden jedoch häufig imperiale Einheiten. Das freigabeberechtigte Personal muss in der Umrechnung zwischen diesen Systemen sicher sein.

Basis-SI-Einheiten, die für die Flugzeugwartung relevant sind:

Größe	Einheit	Symbol
Länge	Meter	m
Masse	Kilogramm	kg
Zeit	Sekunde	s
Temperatur	Kelvin	K
Elektrische Stromstärke	Ampere	A
Frequenz	Hertz	Hz (1 Zyklus pro Sekunde)

Häufig verwendete abgeleitete Einheiten:

Größe	Einheit	Symbol	Äquivalent
Kraft	Newton	N	kg·m/s²
Druck	Pascal	Pa	N/m²
Arbeit/Energie	Joule	J	N·m
Leistung	Watt	W	J/s
Drehmoment	Newtonmeter	N·m	—
Winkelgeschwindigkeit	Radiant pro Sekunde	rad/s	—

Dichte und Massenstrom

Dichte (ρ) ist die Masse pro Volumeneinheit, ausgedrückt in kg/m³. Für Flugkraftstoff wird die Dichte häufig in kg/Liter angegeben. Die Beziehung zwischen Masse, Volumen und Dichte ist grundlegend:

\rho = \frac{m}{V}

Massenstrom (\(\dot{m}\)) ist die Masse eines Fluids, die pro Zeiteinheit einen Punkt passiert:

\dot{m} = \dot{V} \times \rho

Wobei \(\dot{V}\) der Volumenstrom ist.

Druckeinheiten und Umrechnungen

Druck ist definiert als Kraft pro Flächeneinheit. Die SI-Einheit ist das Pascal (Pa), aber in der Luftfahrtpraxis werden häufig bar, psi und hPa verwendet.

Wichtige Umrechnungsfaktoren:

1 bar = 100.000 Pa = 100 kPa

1 bar = 14,5038 psi

1 psi = 6,89476 kPa

1 hPa = 100 Pa (Hektopascal, in der Meteorologie verwendet)

Beispiel: Ein Hydrauliksystemdruck von 3000 psi wird umgerechnet in:

3000 \div 14,5 = 206,9 \text{ bar}

Temperaturskalen

In der Luftfahrt werden drei Temperaturskalen verwendet:

Celsius (°C) — in den meisten europäischen Dokumentationen verwendet

Kelvin (K) — die SI-Einheit, die in allen thermodynamischen Berechnungen verwendet wird

Fahrenheit (°F) — in amerikanischen Alt-Dokumentationen zu finden

Umrechnungen:

K = °C + 273,15

°F = (°C \times \frac{9}{5}) + 32

°C = (°F - 32) \times \frac{5}{9}

Wichtiger Punkt: Alle Berechnungen mit Gasgesetzen müssen die absolute Temperatur (Kelvin) verwenden, niemals Celsius.

2.2 Mechanik — Statik, Kinematik und Kinetik

Newtonsche BewegungsgesetzeErstes Gesetz (Trägheitsgesetz): Ein Körper in Ruhe bleibt in Ruhe, und ein Körper in Bewegung bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, sofern keine äußere Kraft auf ihn einwirkt. Dies erklärt, warum ein auf dem Vorfeld geparktes Flugzeug stationär bleibt, bis Schub oder eine Schleppkraft aufgebracht wird.

Zweites Gesetz: Die Beschleunigung eines Körpers ist direkt proportional zur auf ihn wirkenden Nettokraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse:

F = m \times a

Drittes Gesetz: Zu jeder Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Dies ist das Prinzip hinter Propellerschub und Strahlantrieb.

Gewicht und Masse

Masse (kg) ist die Menge an Materie in einem Objekt. Gewicht (N) ist die Kraft, die durch die Schwerkraft auf diese Masse ausgeübt wird:

W = m \times g

Wobei \(g = 9,81 \text{ m/s}^2\) unter Standardbedingungen auf Meereshöhe gilt.

Beispiel: Eine Pleuelstange mit einer Masse von 2,5 kg hat ein Gewicht von:

W = 2,5 \times 9,81 = 24,525 \text{ N}

Druck, der von einer Komponente ausgeübt wird

Wenn eine Komponente auf einer Oberfläche aufliegt, beträgt der ausgeübte Druck:

P = \frac{F}{A} = \frac{m \times g}{A}

Beispiel: Eine 120 kg schwere Komponente auf einer 0,05 m² großen Halterung übt aus:

P = \frac{120 \times 9,81}{0,05} = 23.544 \text{ Pa}

Drehmoment und Momente

Drehmoment (oder Kraftmoment) ist die Drehwirkung, die durch eine Kraft erzeugt wird, die im rechten Winkel (senkrecht) zu einem Drehpunkt wirkt:

T = F \times r

Wobei \(T\) das Drehmoment in N·m, \(F\) die Kraft in N und \(r\) der senkrechte Abstand in m ist.

Beispiel: Eine Kraft von 50 N, die am Ende eines 0,4 m langen Drehmomentschlüssels ausgeübt wird, erzeugt:

T = 50 \times 0,4 = 20 \text{ N·m}

Dieses Prinzip ist grundlegend für alle drehmomentkontrollierten Befestigungsverfahren in der Flugzeugwartung.

Spannung

Wenn eine Komponente axialen Kräften ausgesetzt ist, erfährt sie direkte Spannung:

\sigma = \frac{F}{A}

Wobei \(\sigma\) die Spannung in Pa (oder N/m²) ist. Direkte Spannung kann sein:

Zugspannung — ziehende Kräfte (z. B. Pleuelstange während des Ansaugtakts)

Druckspannung — schiebende Kräfte (z. B. Pleuelstange während des Arbeitstakts)

Die Pleuelstange eines Kolbenmotors erfährt während jedes Arbeitszyklus abwechselnd Zug- und Druckspannungen.

Querschnittsflächenberechnungen

Für einen kreisförmigen Querschnitt (z. B. eine Schraube):

A = \frac{\pi}{4} \times d^2

Beispiel: Eine Schraube mit 8 mm Durchmesser hat eine Querschnittsfläche von:

A = 0,7854 \times (0,008)^2 = 5,03 \times 10^{-5} \text{ m}^2

2.3 Drehbewegung und Motordynamik

Winkelgeschwindigkeit

Die Drehzahl wird üblicherweise in Umdrehungen pro Minute (RPM) ausgedrückt. Für technische Berechnungen ist die Winkelgeschwindigkeit in Radiant pro Sekunde (rad/s) erforderlich:

\omega = \frac{2\pi \times \text{RPM}}{60}

Der Umrechnungsfaktor beträgt ungefähr 0,10472 rad/s pro RPM.

Beispiel: Eine Kurbelwelle, die mit 2400 RPM rotiert, hat eine Winkelgeschwindigkeit von:

\omega = 2400 \times \frac{2\pi}{60} = 251,3 \text{ rad/s}

Frequenz

Frequenz (Hz) ist die Anzahl der Zyklen pro Sekunde:

f = \frac{\text{RPM}}{60}

Beispiel: Ein Propeller, der mit 3000 RPM rotiert, hat eine Rotationsfrequenz von:

f = \frac{3000}{60} = 50 \text{ Hz}

Leistung, Drehmoment und Drehzahl

Die Beziehung zwischen Bremsleistung, Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit ist:

P = T \times \omega

Wobei \(P\) die Leistung in Watt, \(T\) das Drehmoment in N·m und \(\omega\) die Winkelgeschwindigkeit in rad/s ist.

Beispiel: Ein Motor, der 120 kW bei 2400 RPM entwickelt, erzeugt:

T = \frac{120.000}{251,33} = 477,5 \text{ N·m}

Arbeit und LeistungArbeit ist das Produkt aus Kraft und zurückgelegter Strecke in Richtung der Kraft:

W = F \times d

Leistung ist die Rate, mit der Arbeit verrichtet wird:

P = \frac{W}{t}

Beispiel: Ein Triebwerk, das 20 kW benötigt, um einen Propeller 2 Stunden lang anzutreiben, verrichtet:

W = 20 \text{ kW} \times 2 \text{ h} = 40 \text{ kWh}

2.4 Thermodynamik und Wärmeübertragung

Temperatur und die Gasgesetze

Das Verhalten von Gasen in Zylindern von Verbrennungsmotoren wird durch die idealen Gasgesetze bestimmt. Für das Wartungspersonal sind die wichtigsten Beziehungen:

Gesetz von Boyle (konstante Temperatur):

P_1 V_1 = P_2 V_2

Gesetz von Gay-Lussac (konstantes Volumen):

\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}

Gesetz von Charles (konstanter Druck):

\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}

Kritischer Punkt: Alle Temperaturen in Berechnungen mit Gasgesetzen müssen in Kelvin angegeben werden.

Beispiel: Wenn der Zylinderdruck bei konstantem Volumen von 2 bar auf 8 bar ansteigt, vervierfacht sich die absolute Temperatur (von \(T_1\) auf \(4T_1\)).

Verdichtungsverhältnis

Das Verdichtungsverhältnis eines Kolbenmotors ist definiert als:

r = \frac{V_{\text{UT}}}{V_{\text{OT}}} = \frac{V_s + V_c}{V_c}

Wobei:

\(V_{\text{UT}}\) = Gesamtzylindervolumen am unteren Totpunkt

\(V_{\text{OT}}\) = Verdichtungsraum am oberen Totpunkt

\(V_s\) = Hubvolumen

\(V_c\) = Verdichtungsraum

Beispiel: Bei einem Verdichtungsverhältnis von 8:1 und einem Verdichtungsraum von 0,15 Litern:

8 = \frac{V_s + 0,15}{0,15}

V_s = (8 \times 0,15) - 0,15 = 1,05 \text{ Liter}

Hubvolumen

Das Hubvolumen eines Zylinders ist das Volumen, das der Kolben bei der Bewegung vom OT zum UT verdrängt:

V_s = \frac{\pi}{4} \times d^2 \times L

Wobei \(d\) die Bohrung (Zylinderdurchmesser) und \(L\) der Hub ist.

Beispiel: Ein Zylinder mit 120 mm Bohrung und 140 mm Hub hat ein Hubvolumen von:

V_s = 0,7854 \times (0,12)^2 \times 0,14 = 1,58 \times 10^{-3} \text{ m}^3

Wärmeübertragungsmechanismen

Drei Arten der Wärmeübertragung sind für die Motorkühlung relevant:

1. Wärmeleitung — Wärmeübertragung durch feste Materialien (z. B. durch Zylinderwände). Dies ist die primäre Art der Wärmeübertragung in den Metallwänden eines luftgekühlten Motors.

2. Konvektion — Wärmeübertragung zwischen einer festen Oberfläche und einem bewegten Fluid (z. B. Ölkühler, der Wärme an den Luftstrom überträgt). Dies beinhaltet sowohl Wärmeleitung durch die Wand als auch Konvektion an das Fluid.

3. Wärmestrahlung — Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen. Bei typischen Motorbetriebstemperaturen vernachlässigbar.

Beispiel: Ein Ölkühler überträgt Wärme durch Wärmeleitung durch die Metallwände, gefolgt von Konvektion an die umgebende Luft. Wärmestrahlung ist vernachlässigbar.

2.5 Strömungsmechanik und Aerodynamik

Prinzip von Bernoulli

Die Gleichung von Bernoulli für inkompressible, reibungsfreie Strömung besagt, dass die Gesamtenergie entlang einer Stromlinie konstant ist:

P + \frac{1}{2}\rho V^2 + \rho gh = \text{konstant}

Für horizontale Strömung (unter Vernachlässigung von Höhenänderungen):

P + \frac{1}{2}\rho V^2 = \text{konstant}

Dieses Prinzip erklärt:

Auftriebserzeugung — schnellere Luftströmung über die obere Oberfläche eines Tragflächenprofils erzeugt niedrigeren Druck und damit Auftrieb

Venturi-Effekt — in einer Vergaser-Venturi-Düse verursacht die erhöhte Luftgeschwindigkeit an der engsten Stelle einen Druckabfall, der Kraftstoff ansaugt

Kritische Beziehung: Der Staudruck ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit:

q = \frac{1}{2}\rho V^2

Beispiel: Wenn sich die Luftgeschwindigkeit durch eine Venturi-Düse verdoppelt, vervierfacht sich der Druckabfall.

AnstellwinkelDer Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Profilsehne eines Tragflügels und der relativen Anströmung (der ungestörten Luftströmungsrichtung). Dies ist ein kritischer Parameter, der Auftriebs- und Widerstandseigenschaften bestimmt.

Mach-Zahl

Die Mach-Zahl ist das dimensionslose Verhältnis der Geschwindigkeit eines Objekts zur Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium:

M = \frac{V}{a}

Wobei \(V\) die Geschwindigkeit des Objekts und \(a\) die lokale Schallgeschwindigkeit ist.

Internationale Standardatmosphäre (ISA)

Auf Meereshöhe definiert das ISA-Modell:

Temperatur: 15°C (288,15 K)

Druck: 1013,25 hPa (1 atm)

Dichte: 1,225 kg/m³

Diese Werte sind grundlegend für Triebwerksleistungsberechnungen und aerodynamische Analysen.

2.6 Elektrizität und Magnetismus

Elektromagnetische Induktion

Das Magnetzündsystem in einem Kolbenmotor arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (Faradaysches Gesetz). Ein rotierender Magnet induziert eine hohe Spannung in einer stationären Spule, die dann an die Zündkerzen geliefert wird.

Faradaysches Gesetz: Die induzierte elektromotorische Kraft (EMK) in einer Spule ist proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die Spule.

2.7 Triebwerksleistungsparameter

Spezifischer Bremsstoffverbrauch (BSFC)

Der BSFC misst die Kraftstoffeffizienz:

\text{BSFC} = \frac{\text{Kraftstoffmassenstrom}}{\text{Bremsleistung}} \quad (\text{kg/kWh})

Beispiel: Ein Triebwerk mit einem BSFC von 0,25 kg/kWh, das 100 kW für 2 Stunden erzeugt, verbraucht:

\text{Kraftstoff} = 0,25 \times 100 \times 2 = 50 \text{ kg}

Kraftstoffverbrauchsberechnungen

Für den volumetrischen Kraftstoffstrom mit bekannter Dichte:

\dot{m}_{\text{Kraftstoff}} = \dot{V}_{\text{Kraftstoff}} \times \rho_{\text{Kraftstoff}}

Beispiel: Ein Triebwerk, das 40 L/h Kraftstoff mit einer Dichte von 0,72 kg/L verbraucht, hat einen Massenstrom von:

\dot{m} = 40 \times 0,72 = 28,8 \text{ kg/h}

Häufige Beziehungen zwischen Konzepten

260.Kraft → Druck → Spannung: Kraft erzeugt Druck (Kraft/Fläche) auf Oberflächen und Spannung (Kraft/Fläche) in Materialien. Dieselbe grundlegende Beziehung gilt.

261.Masse → Gewicht → Druck: Masse unter Schwerkraft erzeugt Gewicht (Kraft), das, wenn es über eine Fläche verteilt wird, Druck erzeugt.

262.Drehzahl → Winkelgeschwindigkeit → Frequenz: Rotationsgeschwindigkeit kann als Winkelgeschwindigkeit (rad/s) oder Frequenz (Hz) ausgedrückt werden, mit Umrechnungen, die \(2\pi\) und 60 beinhalten.

263.Leistung ↔ Drehmoment ↔ Drehzahl: Diese drei Größen sind durch \(P = T \times \omega\) verbunden. Eine Erhöhung der Drehzahl bei konstanter Leistung reduziert das Drehmoment.

264.Druck ↔ Temperatur (Gasgesetze): Bei konstantem Volumen sind Druck und absolute Temperatur direkt proportional.

265.Geschwindigkeit ↔ Druck (Bernoulli): Bei der Fluidströmung erzeugt erhöhte Geschwindigkeit verringerten Druck, wobei die Beziehung quadratisch ist.

266.Verdichtungsverhältnis ↔ Volumina: Das Verdichtungsverhältnis verbindet Hubvolumen, Verdichtungsraum und Gesamtzylindervolumen.

Typische Prüfungsschwerpunkte

Für die EASA Part-66 Modul 2 Prüfung (Kategorie B1.2) sollten sich Kandidaten auf Folgendes konzentrieren:

270.Einheitenumrechnungen — insbesondere Druck (bar, psi, kPa, hPa) und Temperatur (°C, K, °F). Diese treten häufig auf und erfordern das Auswendiglernen von Umrechnungsfaktoren.

271.Newtonsche Gesetze und Kraftberechnungen — \(F = ma\) und \(W = mg\) Anwendungen in Triebwerks- und Strukturkontexten.

272.Druckberechnungen — \(P = F/A\) mit korrekter Handhabung der Einheiten.

273.Drehmomentberechnungen — \(T = F \times r\) für Befestigungsanwendungen.5. Drehzahlumrechnungen — U/min in rad/s und Hz, einschließlich des Faktors \(2\pi/60\).

274.Motorgeometrie — Hubvolumen, Verdichtungsraum und Berechnung des Verdichtungsverhältnisses, einschließlich Umstellung der Formel für das Verdichtungsverhältnis.

275.Gasgesetze — Verständnis der Druck-Temperatur-Beziehungen bei konstantem Volumen unter Verwendung absoluter Temperaturen.

276.Wärmeübertragungsarten — Identifizierung von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung im Zusammenhang mit der Motorkühlung.

277.Bernoulli-Prinzip — qualitatives Verständnis der Geschwindigkeits-Druck-Beziehungen und der quadratischen Natur des Staudrucks.

278.Leistung und Arbeit — \(P = W/t\) und \(P = T\omega\)-Beziehungen, einschließlich BSFC-Anwendungen.

279.ISA-Standardwerte — Temperatur, Druck und Dichte auf Meereshöhe.

280.SI-Einheiten — Identifizierung korrekter Einheiten für alle Größen, insbesondere Frequenz (Hz) und Druck (Pa).

Regulatorische Referenzen

Verordnung (EU) Nr. 1321/2014, Anhang III (Part-66) — legt die grundlegenden Wissensanforderungen für Luftfahrzeugwartungslizenzen fest

Anhang I zu Part-66 — definiert die Modulstruktur und Wissensstufen:

Stufe 1: Überblick (Vertrautheit mit grundlegenden Elementen)

Stufe 2: Allgemeines Wissen (Verständnis von Prinzipien und Anwendungen)

Stufe 3: Detaillierte Theorie (umfassendes Verständnis für Zertifizierungsentscheidungen)

AMC (Acceptable Means of Compliance) — bietet Leitlinien zu Prüfungsstandards und Fragetypen

Die Kategorie B1.2 erfordert für die meisten Themen des Moduls 2 Wissensstufen von 2 oder 3, was die Notwendigkeit widerspiegelt, dass freigabeberechtigtes Personal nicht nur versteht, was zu tun ist, sondern auch, warum es funktioniert.

Modul 2: Physik