Warum fliegt ein Flugzeug?

Die Kraft des Auftriebs

Das Geheimnis des Fliegens liegt in einer physikalischen Kraft: Dem Auftrieb. Diese Kraft entsteht durch die besondere Form der Tragflächen eines Flugzeugs. Die Tragflächen sind oben gewölbt und unten flach. Wenn ein Flugzeug durch die Luft fährt, strömt die Luft schneller über die Oberseite der Tragfläche als über die Unterseite.

Dies liegt an der Bernoulli-Gleichung: Je schneller die Luft strömt, desto geringer ist der Druck. Durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberseite entsteht also ein Unterdruck, während auf der Unterseite der Tragfläche ein Überdruck herrscht. Die resultierende Druckdifferenz erzeugt den Auftrieb, der dem Gewicht des Flugzeugs entgegenwirkt.

Vier Kräfte im Spiel

Neben dem Auftrieb wirken auf ein Flugzeug noch drei weitere wichtige Kräfte:

Schwerkraft: Zieht das Flugzeug stets Richtung Erde.

Schub: Erzeugt durch die Flugzeugmotoren und treibt das Flugzeug vorwärts.

Widerstand: Die Reibungskraft der Luft, die dem Flugzeug entgegenwirkt.

Damit ein Flugzeug abheben kann, muss der Auftrieb die Schwerkraft überwinden. Dies geschieht, indem das Flugzeug auf der Startbahn beschleunigt wird, bis eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht ist. Ab dieser Geschwindigkeit strömt die Luft so schnell über die Tragflächen, dass der Auftrieb größer wird als die Schwerkraft und das Flugzeug abhebt.

In der Luft bleiben

Sobald das Flugzeug in der Luft ist, muss der Auftrieb weiterhin größer sein als die Schwerkraft, damit es nicht wieder sinkt. Dies wird durch die Tragflächenform und die Geschwindigkeit des Flugzeugs erreicht. Durch die Steuerung des Flugzeugs kann der Pilot den Anstellwinkel der Tragflächen verändern und so den Auftrieb regulieren. Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Tragfläche und der Strömungsrichtung der Luft. Je größer der Anstellwinkel, desto größer ist der Auftrieb. Indem beispielsweise die Flugzeugnase im Flug durch leichtes Ziehen am Steuerhorn gehoben wird, erhöht sich der Anstellwinkel: Mehr Auftrieb wird erzeugt und das Flugzeug steigt.

Der Anstellwinkel

Ein wichtiger Faktor für den Auftrieb ist der Anstellwinkel. Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Tragflächenachse und der Strömungsrichtung der Luft. Je größer der Anstellwinkel, desto größer ist der Auftrieb. Der Pilot kann den Anstellwinkel durch die Steuerung des Flugzeugs verändern. Im manuellen Flug geschieht dies durch das Heranziehen oder Wegdrücken des Steuerhorns. Das Steuerhorn ist unter anderem mit dem Höhenruder am Heck des Flugzeuges verbunden. Durch Bewegung des Höhenruders bewegt sich die Nase des Flugzeugs nach oben oder unten. Beim Heben der Flugzeugnase erhöht sich der Anstellwinkel, was zu einem höheren Auftrieb führt.

Umgekehrt verringert sich der Auftrieb, wenn der Pilot die Nase des Flugzeugs senkt und der Anstellwinkel kleiner wird.

Einflussfaktoren auf den Auftrieb

Die Höhe des Auftriebs wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel:

Geschwindigkeit: Je schneller ein Flugzeug fliegt, desto größer ist der Auftrieb.

Luftdichte: In dünnerer Luft, wie in großer Höhe, ist der Auftrieb geringer. Um die Höhe zu halten, müssen Geschwindigkeit und / oder Anstellwinkel erhöht werden.

Tragflächenform und -größe: Größere und/oder stärker gewölbte Tragflächen erzeugen mehr Auftrieb.

Gewicht des Flugzeugs: Ein schwereres Flugzeug benötigt mehr Auftrieb als ein leichteres.

Anstellwinkel (siehe oben)

Die Auftriebsformel

Falls du Mathematik bzw. Formeln magst, schaue dir gerne folgende Formel an. Sie fasst die oben genannten Einflussfaktoren auf den Auftrieb kurz und übersichtlich zusammen:

A = ½ * ρ * v² * A * C_L

Dabei bedeuten:

Höhe des Auftriebs (A)

ρ: Dichte der Luft (in kg/m³)

v: Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs (in m/s)

A: Tragflächenfläche (in m²)

C_L: Auftriebsbeiwert (dimensionslose Größe, abhängig von der Tragflächenform und dem Anstellwinkel)

Fazit

Das Fliegen eines Flugzeugs ist ein komplexes Zusammenspiel von physikalischen Kräften, aerodynamischer Formgebung und intelligenter Steuerung. Der Auftrieb, der durch die besondere Form der Tragflächen und die Fluggeschwindigkeit entsteht, ermöglicht es schweren Flugzeugen, sich von der Erde zu lösen und in der Luft zu bleiben.