Warum fliegt ein Flugzeug?

Die Grundlage – Newton lässt grüssen

Zugegeben, Aerodynamik ist ein hochkomplexes Teilgebiet der Physik, und eine hundertprozentig korrekte Beschreibung hier zu liefern ist erstens unmöglich, würde zweitens den Rahmen etwas sprengen, und drittens dich als Leser nach zwei Minuten vermutlich einschläfern. Dementsprechend sind die folgenden Erklärungen Vereinfachungen, die zwar nicht komplett richtig sind, aber einen Einblick in die Grundlagen gibt, wieso ein 150 Tonnen schwerer Metallkoloss in Zürich abheben kann, und dich sicher ans Ziel bringt.

Beginnen wir mit einem Grundprinzip der Physik: Dem Kräftegleichgewicht. Wie du vielleicht aus dem Physikunterricht weisst, bewegt sich ein Objekt erst, wenn in eine Richtung eine Kraft grösser ist als diejenige, die ihr entgegenwirkt. Beim Fliegen sind die folgenden Kräfte entscheidend: Auftrieb, Gewicht, Schub und Widerstand. Wie du in der Grafik siehst, sind Gewicht und Widerstand diejenigen Kräfte, die es zu bewältigen gilt. Den Schub liefern uns die Triebwerke, für den Auftrieb sind die Flügel matchentscheidend. Schauen wir uns also einmal einen Flügel genauer an.

Der Flügel – Wo die Magie stattfindet

Als Interessierter in der Aviatik hast du sicherlich von den Gebrüdern Wright, den Erfindern des motorisierten Fluges gehört. Massgebend für ihren Erfolg war das Experimentieren mit verschiedenen Flügelprofilen in einem selbstgebauten, rudimentären Windkanal. Dabei kamen sie zum Schluss, dass das folgende Profil die besten Resultate erzielt.

Dieses Profil wird noch heute in seiner Grundform verwendet, wobei über die letzten 100 Jahre natürlich immer wieder Verbesserungen vorgenommen wurden. Was passiert hier also, wenn ein Luftstrom auf dieses Profil trifft?

Physikalisch interessant ist die Luft, die vom Flügel beeinflusst wird. Stellen wir uns eine Röhre vor, die unseren Flügel umgibt, und durch die die Luft strömt. Wir sehen, dass die Luft die an der Oberseite des Flügels vorbeiströmt, weniger Platz hat als diejenige, die an der Unterseite vorbeiströmt. Nun kommen zwei wichtige aerodynamische Grundgesetze ins Spiel: • Das Kontinuitätsgesetz besagt, dass unabhängig vom Querschnitt immer gleich viel Luft durch eine Röhre strömt. In der Physik spricht man von einem konstanten Massenstrom. • Das Bernoulli-Gesetz besagt, dass die Druckverteilung in einer Flüssigkeit konstant ist. Dabei besteht der Gesamtdruck aus einem statischen Druck, und einem dynamischen Druck. Der dynamische Druck der Luft ist umso höher, je schneller die Geschwindigkeit der Luft ist.

Dies klingt erstmal kompliziert, die daraus folgenden Konsequenzen sind aber relativ simpel:

1. Verringert sich in einer Röhre der Querschnitt, so wird der Luftstrom darin beschleunigt und umgekehrt. Folglich wird die Luft über unserem Flügel beschleunigt, unterhalb wird sie verlangsamt.
2. Nimmt die Geschwindigkeit zu, nimmt der dynamische Druck zu. Folglich muss der statische Druck abnehmen, um den Gesamtdruck konstant zu halten. Von physikalischer Bedeutung ist für uns der statische Druck. Dies bedeutet: Auf der Oberseite des Flügels resultiert ein tieferer statischer Druck, als auf der Unterseite. Es ergibt sich also eine Druckdifferenz und somit auch eine Kraft, die nach oben wirkt: Der Auftrieb

Nun haben wir sie also gefunden, die Kraft die uns vom Boden abheben lässt. Wir müssen also ausreichend beschleunigen, bis der Druckunterschied so gross wird, dass der resultierende Auftrieb grösser wird als die Schwerkraft. Zum Glück gibt es leistungsfähige Triebwerke und genügend lange Startbahnen!

Hilfe – Ich hab doch gar kein Doktortitel in Physik

Wenn du dich nun fragst: Muss ich denn zuerst ein Physikstudium absolvieren, um nur schon die Aerodynamik zu verstehen, bevor ich mich in ein Cockpit setzen kann? Nein, auf keinen Fall! Der für dich relevante Theoriestoff wird dir während deiner Ausbildung zum Piloten beigebracht, ist aber wirklich für angehende Piloten zugeschnitten.

Und unter uns gesagt: Es ist zwar immer gut zu wissen, was physikalisch um das Flugzeug herum passiert, letztendlich interessiert dich aber, bei welcher Geschwindigkeit du an den Controls ziehen musst, sodass dein Flugzeug abhebt. Und im modernen Airliner rechnet das dein Bordcomputer oder eine App auf deinem Tablet für dich aus.