Warum können Flugzeuge fliegen – obwohl sie so schwer sind?

Kurze Antwort

Flugzeuge können fliegen, weil ihre Tragflächen beim Bewegen durch die Luft eine Kraft nach oben erzeugen: den Auftrieb.

Die Flügel verändern die Luftströmung und lenken Luft insgesamt nach unten. Gleichzeitig entsteht um den Flügel eine Druckverteilung, aus der eine nach oben gerichtete Kraft resultiert.

Triebwerke oder Propeller sorgen hauptsächlich für den nötigen Schub nach vorn. Ein Flugzeug ist also nicht „zu schwer zum Fliegen“, solange Tragflächen, Geschwindigkeit und Anstellwinkel genügend Auftrieb erzeugen.

Welche Kräfte wirken auf ein Flugzeug?

Beim Fliegen wirken vereinfacht vier Hauptkräfte:

• Gewicht: Die Schwerkraft zieht das Flugzeug nach unten.
• Auftrieb: Die aerodynamische Kraft an den Tragflächen wirkt überwiegend nach oben.
• Schub: Triebwerke oder Propeller treiben das Flugzeug nach vorn.
• Luftwiderstand: Die Luft wirkt der Bewegung entgegen.

Im gleichförmigen horizontalen Flug gleichen sich diese Kräfte ungefähr aus: Der Auftrieb entspricht dem Gewicht, während der Schub den Luftwiderstand ausgleicht.

Das bedeutet nicht, dass keine Kräfte wirken. Sie sind lediglich so ausgeglichen, dass das Flugzeug weder steigt noch sinkt und seine Geschwindigkeit beibehält.

Wie erzeugen die Tragflächen Auftrieb?

Ein Flügel bewegt sich durch die Luft und verändert dabei die Strömung.

Durch seine Form und seinen Anstellwinkel wird die Luft hinter dem Flügel insgesamt nach unten abgelenkt. Wird Luft nach unten beschleunigt, wirkt nach Newtons drittem Gesetz eine Gegenkraft auf den Flügel.

Gleichzeitig herrscht um den Flügel keine überall gleiche Druckverteilung. Über großen Bereichen der Oberseite ist der Druck niedriger als unter beziehungsweise um den Flügel herum. Die Summe dieser Druckkräfte trägt wesentlich zum Auftrieb bei.

Beide Beschreibungen widersprechen sich nicht. Die Druckverteilung am Flügel und die Ablenkung der Luft sind Teile desselben aerodynamischen Vorgangs.

Warum ist die Form der Tragfläche wichtig?

Die Form eines Flügels beeinflusst, wie die Luft um ihn herum strömt.

Tragflächen von Verkehrsflugzeugen sind so gestaltet, dass sie in den vorgesehenen Geschwindigkeitsbereichen viel Auftrieb bei möglichst geringem Widerstand erzeugen.

Die typische Wölbung hilft dabei, ist aber nicht allein dafür verantwortlich, dass ein Flugzeug fliegt. Auch symmetrische Tragflächen können Auftrieb erzeugen, wenn sie passend zur Luftströmung angestellt werden.

Entscheidend ist also das Zusammenspiel aus Flügelform, Anstellwinkel und Geschwindigkeit.

Was ist der Anstellwinkel?

Der Anstellwinkel ist vereinfacht der Winkel zwischen dem Flügel und der anströmenden Luft.

Wird dieser Winkel innerhalb eines bestimmten Bereichs größer, nimmt normalerweise auch der Auftrieb zu. Gleichzeitig steigt allerdings der Luftwiderstand.

Wird der Anstellwinkel zu groß, kann sich die Strömung teilweise vom Flügel lösen. Der Auftrieb nimmt dann stark ab. Diesen Zustand nennt man Strömungsabriss oder Stall.

Ein Stall bedeutet übrigens nicht, dass die Triebwerke ausfallen. Es handelt sich um ein aerodynamisches Problem an der Tragfläche.

Warum muss ein Flugzeug beim Start so schnell werden?

Auftrieb hängt unter anderem von der Geschwindigkeit des Flugzeugs relativ zur Luft ab.

Je schneller Luft über die Tragfläche strömt, desto größere aerodynamische Kräfte kann der Flügel unter sonst gleichen Bedingungen erzeugen.

Deshalb beschleunigt ein Flugzeug auf der Startbahn zunächst, bis die nötige Fluggeschwindigkeit erreicht ist. Dann kann der Anstellwinkel erhöht werden und das Flugzeug hebt ab.

Wie schnell es dafür werden muss, hängt unter anderem von Gewicht, Flügelgröße, Klappenstellung, Luftdichte und Wind ab.

Was machen die Klappen an den Flügeln?

Beim Start und bei der Landung fliegt ein Flugzeug langsamer als im Reiseflug. Trotzdem muss genügend Auftrieb vorhanden sein.

Deshalb können Verkehrsflugzeuge Teile ihrer Tragflächen ausfahren. Dazu gehören insbesondere Landeklappen und bei vielen Flugzeugen Vorflügel.

Sie verändern die Form und teilweise die wirksame Fläche des Flügels. Dadurch kann bei geringerer Geschwindigkeit mehr Auftrieb erzeugt werden.

Gleichzeitig steigt der Luftwiderstand. Bei der Landung ist das sogar erwünscht, weil das Flugzeug dadurch leichter Geschwindigkeit abbauen kann.

Stimmt es, dass die Luft über dem Flügel einen längeren Weg hat?

So einfach funktioniert es nicht.

Eine verbreitete Erklärung lautet: Der Flügel sei oben gewölbt, deshalb müsse die Luft dort einen längeren Weg zurücklegen. Weil Luftteilchen oben und unten angeblich gleichzeitig an der Hinterkante eintreffen müssten, müsse die Luft oben schneller strömen.

Der entscheidende Fehler ist die behauptete gleichzeitige Ankunft.

Es gibt kein physikalisches Gesetz, das Luftteilchen über und unter dem Flügel zwingt, sich an der Hinterkante wieder zu treffen. Diese sogenannte Equal-Transit-Time-Erklärung ist daher falsch.

Die Flügelform beeinflusst die Strömung sehr wohl. Die bekannte Geschichte vom „längeren Weg und gleichzeitigem Wiedersehen“ ist aber keine korrekte Erklärung des Auftriebs.

Entsteht Auftrieb durch Bernoulli oder durch Newton?

Diese beiden Erklärungen sind keine Konkurrenten.

Die Bernoulli-Gleichung kann Zusammenhänge zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Druck beschreiben. Newtons Bewegungsgesetze erklären Kräfte und die Änderung des Impulses der Luft.

Bei einem realen Flügel müssen beide physikalischen Beschreibungen miteinander vereinbar sein.

Anschaulich kann man deshalb sagen: Der Flügel erzeugt eine Druckverteilung, die eine Kraft nach oben bewirkt, und lenkt dabei die Luft insgesamt nach unten.

Wozu braucht ein Flugzeug dann Triebwerke?

Die Triebwerke erzeugen bei einem normalen Verkehrsflugzeug hauptsächlich den Schub nach vorn.

Sie tragen das Flugzeug nicht einfach direkt nach oben. Stattdessen sorgen sie dafür, dass sich das Flugzeug schnell genug durch die Luft bewegt, damit seine Tragflächen ausreichend Auftrieb erzeugen können.

Bei einem Strahltriebwerk wird Luft nach hinten beschleunigt, wodurch eine Gegenkraft nach vorn entsteht. Ein Propeller erzeugt seinen Vortrieb ebenfalls, indem er Luft nach hinten beschleunigt.

Warum fällt ein Flugzeug bei einem Triebwerksausfall nicht sofort herunter?

Weil die Tragflächen ihren Auftrieb nicht direkt vom laufenden Motor erhalten.

Solange sich ein Flugzeug schnell genug relativ zur Luft bewegt, können seine Tragflächen weiterhin Auftrieb erzeugen. Ohne Schub muss das Flugzeug allerdings allmählich Höhe in Vorwärtsbewegung umwandeln.

Es geht deshalb in einen Gleitflug über.

Auch Segelflugzeuge zeigen deutlich, dass ein Motor keine Voraussetzung für aerodynamischen Auftrieb ist. Ein Antrieb wird benötigt, um Geschwindigkeit beziehungsweise Energie bereitzustellen – der eigentliche Auftrieb entsteht an den Tragflächen.

Fazit

Flugzeuge können trotz ihres hohen Gewichts fliegen, weil ihre Tragflächen beim Bewegen durch die Luft genügend Auftrieb erzeugen.

Dafür wirken Flügelform, Anstellwinkel und Geschwindigkeit zusammen. Die Tragflächen verändern die Luftströmung und erzeugen eine Druckverteilung, während die Luft insgesamt nach unten abgelenkt wird.

Triebwerke liefern vor allem den Schub, der die Bewegung durch die Luft ermöglicht.

Die einfache Geschichte, Luft müsse wegen des längeren Wegs über dem Flügel schneller fliegen und sich hinten wieder mit der unteren Luft treffen, ist dagegen falsch. Ein realer Flügel funktioniert durch die gesamte Strömung um ihn herum – nicht durch ein Wettrennen zweier Luftteilchen.

Quellen

• NASA Glenn Research Center – Four Forces on an Airplane
• NASA Glenn Research Center – What Is Lift?
• NASA Glenn Research Center – Incorrect Lift Theory
• Federal Aviation Administration – Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge