Ein Flugzeug fliegt, wenn sein Antrieb größer als der Luftwiderstand ist, und gleichzeitig sein Auftrieb größer als das Gewicht des Flugzeuges ist. Der Auftrieb entsteht, wenn sich das Flugzeug in der Luft bewegt.

Schemazeichnung: Diese vier Kräfte stehen beim Fliegen in Konkurrenz. Warum Schema? Weil diese Kräfte viel stärker zusammenhängen, als die Zeichnung zeigen kann.

Flugzeug

Ein Flugzeug ohne Antrieb steht am Boden.

Dynamischer Auftrieb entsteht durch Bewegung und den Anstellwinkel der Tragflächen. Wir kennen das, wenn man eine Hand aus dem Eisenbahnfenster streckt, und leicht kippt.

Unter Fliegen verstehen wir nicht den Start oder die Landung, sondern den Reiseflug. Gleichmäßig. In der Luft.

Ein Flugzeug fliegt nicht…

○ ohne Flügel
○ ohne Luft
○ ohne Geschwindigkeit
○ gut ohne Anstellwinkel der Flügel
○ gut ohne geeignete Steuerung

Ein Flugzeug fliegt, wenn

◉ es Flügel hat
◉ es Luft gibt
◉ es schnell genug ist
◉ die Flügel angestellt werden
◉ es passend gesteuert wird: durch seine Geometrie und durch Ruderausschläge

Erklärung

Wie es zum dynamischen Auftrieb ganz genau kommt, ist nicht leicht zu erklären.

Eigentlich sind alle Erklärungen falsch, die man verstehen kann. Wir werden versuchen, hier von der falschen Seite zu kommen. Und schauen uns an, was falsch ist.

Richtig wäre eine sehr mathematische Erklärung, die mit Zirkulation und Rotation, mit Gradient und Wirbeln, mit Vektorfeldern und Erhaltungssätzen arbeitet. Mit Veranschaulichungen durch Stromlinien. Mit Anfahrwirbeln, die sich ablösen. – Das kann man lernen, aber nicht hier.

Wir zeigen hier einmal eine falsche Erklärung: Die „reflected stone theory (Newton’sche Erklärung) – (Link: NASA)

Was richtig ist:

◉ der Anstellwinkel ist notwendig

Was nicht richtig ist:

○ der Auftrieb wird nur durch die Luft an der Unterseite des Flügels erzeugt
○ unterschiedliche Oberseiten sind egal – immer gleicher Auftrieb

Was nicht erklärt werden kann:

◉ durch ein aufsteigendes Flugzeug wird Abwind erzeugt, der nicht erklärt werden kann
◉ unterschiedliche Oberseiten ergeben unterschiedlichen Auftrieb
◉ Spoiler (aufgestellte Platten) entlang der Oberseite der Flügel den Auftrieb verändern können

Richtig wäre:

◉ wir müssen auch die Oberseite mit einbeziehen
◉ Auftrieb wird durch alles erzeugt, was den Luftfluss nach unten ablenkt
◉ auch durch die Oberseite wird der Luftfluss nach unten abgelenkt – sogar mehr

Was wir sicher sagen können:

Auftrieb entsteht durch alles, was die Luft nach unten ablenken kann. Das Flugzeug erhält eine Kraft nach oben, mit der es sein Gewicht aufheben kann. Das Ganze erfolgt dynamisch – in Bewegung.

Hinweis: Ganz falsch ist die Newton’sche Erklärung nicht, bei hohen Geschwindigkeiten und geringer Luftdichte können nur wenige Teilchen in Kontakt mit der Oberseite der Tragfläche kommen, das meiste passiert unter der Tragfläche und die Vorhersagen stimmen – ein Space Shuttle in 50 Meilen Höhe und 10.000 mph beim Wiedereintritt.

Eine zweite Erklärung ist ebenso nicht richtig. Sie wird Venturi-Theorie genannt. Beim Fluss von Gas oder Flüssigkeit durch ein Rohr steigt die Geschwindigkeit, wenn das Rohr schmäler wir d(Venturi Nozzle). Paradoxerweise sinkt der Druck in schnelleren Fluten. Der „Satz von Bernoulli“ beschreibt das Phänomen: „In schnelleren Strömungen herrscht Unterdruck.“ An der Oberfläche der Tragfläche verdichtet sich durch die Wölbung die Luftströmung. „Der Luftdruck sinkt, das Flugzeug wird nach oben gesaugt.“ – so die falsche zweite Theorie.

Was richtig ist:

◉ Unterdruck an der Oberseite
◉ Die gekrümmte Oberfläche behindert den Luftstrom (Strömungslinien werden verdichtet)

Was nicht richtig ist:

○ Der Unterdruck an der Oberfläche ist groß genug, das Flugzeug fliegen zu lassen
○ Die Oberseite ist keine Venturi-Nozzle, wo ist die obere Seite?
○ Die Luft strömt nicht oben und unten gleich vorbei, wie gerne gesagt wird, um die höhere Geschwindigkeit oben (längerer Weg, gebogen) zu erklären, und dann Bernoulli mit dem Unterdruck zu bemühen.

Was nicht erklärt werden kann:

◉ Kunstflugzeuge können auch am Rücken fliegen – die würden abstürzen
◉ Die Vorhersage ist allgemein falsch für eine flache Platte als Flügel
◉ unterschiedliche Unterseiten ergeben unterschiedlichen Auftrieb

Richtig wäre:

◉ Auch die Erhaltung von Masse spielt eine Rolle, nicht nur die Impulserhaltung (Newton) und Erhaltung der Energie (Bernoulli)

Was wir sicher sagen können:

Der Satz von Bernoulli beschreibt richtig, dass in schnell strömenden Fluiden ein Unterdruck herrscht.

Hinweis: Die Annahme ist falsch, dass die gekrümmte Oberfläche die Geschwindigkeitsänderung bewirkt. Ab dann wäre Bernoulli mit seiner Erklärung schon richtig. Ingesamt: Die Vorhersage stimmt auch in der zweiten falschen Erklärung nicht.

Eine dritte Erklärung erfolgt durch Druckunterschiede der strömenden Luft an der Ober- und Unterseite einer gewölbten Tragfläche. Über die Richtung und die Länge der Pfeile in der folgenden Zeichnung müssten wir noch diskutieren – wesentlich ist aber der Unterschied. Oben ist weniger Luftdruck als unten. Unten gewinnt. Die Differenz ist der Auftrieb – der das Flugzeug leichter macht.

 

Eine Analyse der verschiedenen Erklärmodelle gibt es hier von Rita Wodzinski im Plus Lucis Magazin.

Erklärungen im Video:

Wikipedia Stichworte: Flugzeug, dynamischer Auftrieb, Stromlinien, Bernoulli-Effekt, Magnus-Effekt, Zirkulation, Wirbel

Video: „Fliegen“ auch ohne Antrieb. Auf die relative Windgeschwindigkeit kommt es an.

Erweitern

Drei Achsen sind für den stabilen Flug von großer Bedeutung.

 

 

Immer noch interessiert?

  1. Wie fliegt ein Hubschrauber? Hören Sie sich die Radiosendung von SWR2 Wissen darüber an.
  2. Papierflieger falten mit vielen Anleitungen. Link: https://www.foldnfly.com/
  3. Ein Skriptum mit Erklärungen zum Fliegen und Anleitungen für gut fliegende Papierflieger ist auf der Website von Werner Gruber zu finden. Link (PDF)

Quelle/Hintergrund: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/