Wie fliegt ein Flugzeug?

Der Auftrieb

Die wichtigste Voraussetzung sind die Flügel. Ihre Form und vor allem ihre leichte Neigung nach oben sorgen für den Auftrieb. Diese beiden Faktoren bestimmen, wie die Luft um den Flügel strömt: Die Luft fließt nach oben um den Flügel schneller als unten. Entsprechend dem sogenannten Bernoulli-Effekt führt die höhere Geschwindigkeit zu einem geringeren Druck oberhalb des Flügels. Dieser wird dann sozusagen nach oben gesaugt. Auf diese Weise entsteht der Auftrieb, der die Flugzeuge in der Luft hält.
In den meisten Lehrbüchern findet man oft eine falsche Erklärung wie dieser Geschwindigkeitsunterschied zustande kommt. Dort wird behauptet die Luftteilchen die gleichzeitig an der Flügelspitze eintreffen, würde sich dort trennen um am Ende des Flügels wieder gleichzeitig anzukommen. Weil der Weg oben herum wegen des gewölbten Profils länger sei, sollen die oberen Luftteilchen schneller fliegen. Diese Darstellung ist leider falsch!
Versuche im Windkanal zeigen eindeutig, daß die Luftteilchen nicht gleichzeitig am Flügelende ankommen. Der Geschwindigkeitsunterschied ist vielmehr so groß, daß die oberen Luftteilchen sogar früher hinten ankommen als die unteren.
Dieser Effekt läßt sich nicht so einfach mit einem längeren Weg erklären. Um zu verstehen, was passiert, muß man sich bereits den Start des Flugzeuges genauer betrachten. Denn bereits beim Anfahren geschieht das Entscheidende. An der hinteren Kante des Flügels entsteht ein Wirbel. Da Wirbel aber nur paarweise auftreten können, bildet sich als Ausgleich eine Strömung in der anderen Richtung um den gesamten Flügel herum. (Physiker sprechen von Drehimpulserhaltung.) Kommt dann noch die Luft von vorne dazu, fließt die Luft insgesamt nach hinten, nur eben oben etwas schneller als unten. Ein kleiner Wirbel beim Start verursacht also die Geschwindigkeitsunterschiede die den Auftrieb erzeugen. Deshalb können Flugzeuge fliegen.
Linkes Bild zeigt den sog. Anfahrtwirbel. Dieser wird später durch eine gegenläufige Strömung ausgeglichen (siehe rechtes Bild).

 

 

 

 

 


Der Bernoulli-Effekt
Der Schweizer Physiker Daniel Bernoulli beschrieb im 18. Jahrhundert einen Effekt, der uns heute das Fliegen ermöglicht: Strömende Flüssigkeiten und Gase üben einen geringeren Druck auf Ihre Umgebung aus, als ruhende. Je höher die Geschwindigkeit um so kleiner der Druck. Mit einem einfachen Versuch kann man diesen Effekt eindrucksvoll zeigen. Hält man einen Streifen Papier an einer Seite fest, hängt das Blatt in einem Bogen an der anderen Seite herunter.
Bläst man jedoch oben über den Papierstreifen, dann ist dort die Geschwindigkeit der Luft größer als unten, wo sich die Luft nicht bewegt. Dadurch wird der Druck an der oberen Seite herabgesetzt. Dieser Unterdruck saugt dann das Blatt nach oben.


Rücktrieb

Die gleichen Faktoren die beim Flug für den Auftrieb sorgen, können auch unerwünschte Kräfte erzeugen, die als sog. Rücktrieb bekannt sind. Der Rücktrieb ist für die Verzögerung der Bewegung eines Flugzeuges verantwortlich. Hierbei ist ein Teil des Rücktriebes der Widerstand der Luft gegenüber einer Masse die sich durch Sie bewegt. Der Widerstand hängt dabei von der Form eines Körpers und der Ebenheit seiner Oberfläche ab. Eine Verringerung kann man z. B. durch die Optimierung der aerodynamischen Form eines Körpers erreichen oder durch Vorrichtungen zur Verringerung des durch Reibung entstandenen Luftwiderstandes, indem der Oberflächenstrom in sogenannter „Schichten“ Form beibehalten wird. Eine andere, nicht weniger wichtige Art von Widerstand entsteht direkt durch die Auftriebserzeugung am Tragwerk, und zwar dadurch, dass sich Druck und Sog am Flügel auszugleichen versuchen. Dieser Ausgleich geschieht am heftigsten an den Flügelspitzen, wo sich große Wirbelzöpfe bilden, die bei besonderen Luftverhältnissen (Feuchtigkeit) sogar sichtbar werden können. Diese Wirbel sind bewegungshemmend, und ihre Wirkung wird als Randwiderstand oder induzierter Widerstand bezeichnet. Bei der Flugzeugkonstruktion wird deshalb auf ein bestmögliches Verhältnis von Auftrieb und Rücktrieb Rücksicht genommen. Dies wird erreicht, wenn der auf die Form zurückzuführende Rücktrieb gleich dem durch den Auftrieb induzierte Widerstand ist. Allerdings werden dieser Gleichung auch durch verschiedene Faktoren, wie z. B. die Geschwindigkeit oder das Gewicht, Grenzen gesetzt. So ist z. B. das Verhältnis bei einer schweren und langsamen Transportmaschine bei 20, während es bei einem Hochleistungssegelflugzeug bei 40 liegt. Bei zunehmender Geschwindigkeit wie es bei Überschallflugzeugen auftritt verringert der zusätzliche Widerstand das Auftrieb-Rücktrieb-Verhältnis auf weniger als zehn.

Strömungsverhältnisse am Flugzeugflügel

Der Flugzeugauftrieb ist ein dynamisches Phänomen. Deshalb ist bei jedem Flugzeug eine gewisse Mindestgeschwindigkeit notwendig. Beim Unterschreiten dieser Geschwindigkeit wird der Flügel nicht mehr glatt umflossen und die Strömung reißt ab. Das Flugzeug hat dadurch nicht mehr den notwendigen Auftrieb und stürzt ab.
Diesen Abbruch möchte ich Ihnen einmal anhand eines Beispiels erläutern. Auf der rechten Grafik sehen Sie eine Tragfläche mit angebrachten Wollfäden. Während des Fluges sind diese in einer Richtung glatt anliegend. Bei Hochziehen der Maschine wird die Fluggeschwindigkeit verringert und beim Sinken unter die Mindestgeschwindigkeit sind die Wollfäden auf der linken Grafik nicht mehr glatt anliegend sondern stehen teilweise nach oben.
Manchmal wird die Strömung auch absichtlich gestört. Dies ist z. B. während der Landung üblich um die Landegeschwindigkeit zu verringern werden hierbei mittels Landeklappen die dahinter liegende Strömung in Unordnung gebracht. Durch dieses kontrollierte Eingreifen des Piloten ist eine schrittweise Verringerung der Landegeschwindigkeit möglich. Allerdings muss er hierbei darauf achten, dass diese nicht unter die Mindestgeschwindigkeit liegt. Sicher könnte man auch durch wegnehmen oder drosseln des Gases bzw. der Motorleistung eine Verringerung der Geschwindigkeit herbeirufen. Dies würde aber auch dazu führen, dass die Strömung plötzlich auf dem ganzen Flügel abreißt und das Flugzeug könnte dadurch abstürzen.