Physik des Fliegens · Frage 1 von 7
Warum fliegt ein Flugzeug?
Ein Flugzeug fliegt, weil seine Tragflächen die vorbeiströmende Luft nach unten lenken und die Luft sie dafür nach oben drückt: der Auftrieb. Im Reiseflug gleicht er genau das Gewicht aus, beim A320 rund 64 Tonnen. Die Triebwerke heben nichts an. Sie schieben mit etwa einem Sechzehntel dieser Kraft nach vorn und halten so das Tempo, das die Flügel brauchen.
In dieser Tour fliegst du einen A320 in 3D, schneidest seinen Flügel auf, siehst der Luft beim Umströmen zu, änderst Anstellwinkel und Tempo und findest heraus, was ohne Triebwerke passiert.
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Nicht die Triebwerke halten das Flugzeug oben
Viele stellen sich vor, die Triebwerke machen die eigentliche Arbeit: Sie sind laut, sie dröhnen beim Start, und ohne sie fällt ein Flugzeug doch sicher vom Himmel. Das liegt nahe, denn die Triebwerke sind das einzige Teil am Flugzeug, dem man ansieht, dass es etwas tut.
Die Zahlen sagen etwas anderes. Ein A320 wiegt im Reiseflug in 11 km Höhe rund 64 Tonnen, die Gewichtskraft beträgt also etwa 628 kN. Seine beiden Triebwerke schieben zusammen mit etwa 40 kN, und zwar nach vorn, nicht nach oben. Das ist rund ein Sechzehntel des Gewichts. Getragen wird das Flugzeug von den Tragflächen, die Triebwerke halten nur das Tempo, das die Flügel dafür brauchen. Ballone und Zeppeline schweben, weil sie leichter sind als die Luft um sie herum (statischer Auftrieb). Ein Verkehrsflugzeug ist viel schwerer und muss seinen Auftrieb durch Bewegung erzeugen: dynamischer Auftrieb.
Die Tour, nacherzählt
Schritt für Schritt
Schritt 7 von 8 · Vorhersagen
Vier Kräfte im Gleichgewicht: Auftrieb = Gewicht, Schub = Widerstand
Im Flug wirken vier Kräfte auf ein Flugzeug. Die Gewichtskraft zieht es nach unten. Der Auftrieb der Tragflächen wirkt senkrecht zur anströmenden Luft, im Geradeausflug also nach oben. Der Schub der Triebwerke treibt es nach vorn, und der Luftwiderstand bremst es.
Im ruhigen Reiseflug heben sich diese Kräfte paarweise auf. Im Modell eines A320 in 11 km Höhe bei Mach 0,78 sind Auftrieb und Gewicht je 628 kN, Schub und Widerstand je 40 kN. Die Luft hat dort nur eine Dichte von 0,36 kg/m³, weniger als ein Drittel der 1,225 kg/m³ am Boden. Trotzdem reicht sie, weil das Flugzeug mit rund 830 km/h durch sie hindurchfliegt. Die Schwerkraft ist in 11 km Höhe kaum schwächer: Ein Flugzeug im Reiseflug schwebt nicht, es wird die ganze Zeit getragen.
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Die Luft oben wartet nicht auf die Luft unten
Eine verbreitete Erklärung für den Auftrieb geht so: Die Oberseite des Flügels ist gewölbt, die Luft dort hat also einen längeren Weg. Damit sie sich an der Hinterkante wieder mit der Luft von unten trifft, muss sie schneller strömen, und schnellere Luft hat einen geringeren Druck. So steht es auf vielen Seiten, auch für Kinder, und es ist falsch.
Nichts zwingt die beiden Hälften der Luft, sich wieder zu treffen. Lässt man vor einem Flügel Markierungen nebeneinander los, wie die Rauchstöße in Windkanalversuchen, kommen die über der Oberseite deutlich zuerst an der Hinterkante an, vor denen unten. Die Luft oben ist tatsächlich schneller, aber nicht wegen einer Verabredung am Ende: Der leicht schräg gestellte, gewölbte Flügel biegt die ganze Strömung um sich herum und senkt den Druck über sich, und dieser Unterdruck zieht die Luft über die Oberseite. Der Geschwindigkeitsunterschied, den die Weg-Erklärung vorhersagt, wäre außerdem viel zu klein, um ein Flugzeug zu tragen.
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Der Flügel lenkt die Luft nach unten
Hinter einem Flügel strömt die Luft nicht mehr geradeaus, sondern leicht nach unten. Das ist der Abwind. Um einen Luftstrom nach unten zu lenken, muss der Flügel auf ihn drücken, und nach dem dritten newtonschen Gesetz (actio = reactio) drückt die Luft zurück, nach oben.
Dieselbe Strömung, als Druck beschrieben, ergibt dasselbe. Über dem Flügel sinkt der Druck, darunter ist er etwas höher, und dieser Unterschied auf 123 m² Flügelfläche ist der Auftrieb. Der größte Teil kommt vom Sog auf der Oberseite, nicht von Luft, die gegen die Unterseite prallt. Die Wölbung hilft, aber sie ist nicht das Geheimnis: Auch ein flaches Brett lenkt die Luft nach unten, sobald es schräg steht, und trägt dann ebenfalls.
Halbzeit
Sieh es dir selbst in 3D an
Lesen ist das eine. In der Tour veränderst du es selbst und siehst, was passiert, Schritt für Schritt.
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Anstellwinkel und Tempo bestimmen den Auftrieb
Der Auftrieb wächst mit der Luftdichte, der Flügelfläche, dem Quadrat der Geschwindigkeit und dem Winkel, unter dem der Flügel angeströmt wird, dem Anstellwinkel. Als Formel: F_A = ½ · ρ · v² · A · c_A, mit der Flügelfläche A. Der Auftriebsbeiwert c_A steigt dabei um etwa 0,09 pro Grad.
Im Modell liefert ein flaches Brett in 3 km Höhe bei 500 km/h bei 0° gar keinen Auftrieb, bei 3° 292 kN und trägt die vollen 628 kN ab etwa 6,5°. Der gewölbte Flügel schafft in derselben Luft schon bei 0° 269 kN und trägt das Flugzeug unter 4°. Das Tempo zählt doppelt: Zurück in 11 km Höhe, aber mit 600 statt 830 km/h, liefert der Flügel bei 3,1° nur 329 kN, etwa die Hälfte, und braucht rund 8,5°, um das Flugzeug wieder zu tragen. Deshalb fliegen langsame Flugzeuge mit erhobener Nase. Das hat eine Grenze: Ist der Winkel zu steil, kann die Luft der Oberseite nicht mehr folgen, und der Auftrieb bricht ein. Das ist der Strömungsabriss, und er hat mit den Triebwerken nichts zu tun.
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Ohne Triebwerke gleitet das Flugzeug
Fallen beide Triebwerke aus, liefern die Flügel weiter Auftrieb, solange das Flugzeug durch die Luft fliegt. Es ändert sich nur, wer es in Fahrt hält: statt der Triebwerke die Schwerkraft, entlang einer leicht abfallenden Bahn. Das Flugzeug wird zum Segelflugzeug.
Ein Verkehrsflugzeug gleitet etwa 16 bis 18 km weit für jeden Kilometer Höhe, den es verliert. Dieses Verhältnis heißt Gleitzahl. Im Modell sinkt der A320 anfangs mit etwa 13 m/s und gleitet aus 11 km Höhe fast 190 km weit, bis er den Boden erreicht. Ein Triebwerksausfall ist für Piloten deshalb ein Notfall, den sie trainieren, kein Absturz.
Bernoulli oder Newton? Zwei Blicke auf dieselbe Strömung
Erklärungen zum Auftrieb ergreifen oft Partei. Die einen sagen Bernoulli: oben schnellere Luft, geringerer Druck, Auftrieb. Die anderen sagen Newton: Der Flügel drückt Luft nach unten, die Luft drückt den Flügel nach oben. Manche Seiten schreiben, beide wirken zusammen, als liefere jeder einen Teil des Auftriebs.
Beide beschreiben dieselbe Strömung. Der Druckunterschied am Flügel ist genau das, was die Luft nach unten lenkt, und die nach unten gelenkte Luft ist genau das, was dieser Druckunterschied mit der Strömung macht. Die Bernoulli-Gleichung verfolgt Tempo und Druck entlang der Strömung, die newtonschen Gesetze verfolgen Kraft und Impuls der Luft. Richtig gerechnet ergeben beide denselben Auftrieb. Falsch sind nur die Abkürzungen: die Geschichte vom längeren Weg oder die Vorstellung, Luft pralle wie Steinchen von der Unterseite ab.
Gesteuert wird mit Querruder, Höhenruder und Seitenruder
Gesteuert wird ein Flugzeug, indem man den Auftrieb an seinen Flächen ändert. Die Querruder nahe den Flügelspitzen bewegen sich gegenläufig: Ein Flügel bekommt mehr Auftrieb, der andere weniger, und das Flugzeug legt sich in die Kurve. In Schräglage zieht der Auftrieb der Flügel teilweise zur Seite, und genau das lenkt das Flugzeug in die Kurve.
Das Höhenruder am Höhenleitwerk hebt oder senkt die Nase und stellt so den Anstellwinkel ein, der bestimmt, wie viel Auftrieb der Flügel liefert. Das Seitenruder an der Seitenflosse schwenkt die Nase nach links oder rechts und hält die Kurve sauber. Es lenkt aber nicht wie das Ruder eines Boots: Allein lässt es das Flugzeug eher schieben als kurven.
FAQ
Häufige Fragen
- Warum fliegt ein Flugzeug, obwohl es so schwer ist?
- Weil seine Flügel sehr viel Luft bewegen. Der Auftrieb wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, deshalb liefern die 123 m² Flügelfläche eines A320 bei rund 830 km/h 628 kN, genug für 64 Tonnen, selbst in der dünnen Luft in 11 km Höhe. Ein schwereres Flugzeug braucht mehr Tempo, mehr Flügelfläche oder einen größeren Anstellwinkel, nicht mehr Schub nach oben.
- Warum sind Tragflächen oben gewölbt?
- Ein gewölbter Flügel liefert schon ohne Anstellwinkel Auftrieb und bei kleinem Winkel mehr davon, mit weniger Widerstand als ein flaches Brett. Im Modell liefert der Flügel des Verkehrsflugzeugs in 3 km Höhe bei 500 km/h bei 0° schon 269 kN, ein flaches Brett gar nichts. Die Wölbung macht den Flügel besser, ist aber nicht die Ursache: Auch ein flaches Brett trägt, sobald es schräg steht.
- Kann ein Flugzeug auf dem Kopf fliegen?
- Ja, wenn sein Flügel auch kopfüber schräg genug zur Luft stehen kann. Kunstflugzeuge haben symmetrische Flügel, oben und unten gleich gewölbt, die in beiden Lagen gleich gut tragen. Schon das zeigt: Nicht die gewölbte Oberseite macht den Auftrieb, sondern der Anstellwinkel.
- Was passiert, wenn beide Triebwerke ausfallen?
- Das Flugzeug gleitet. Im Januar 2009 verlor US-Airways-Flug 1549, ein A320, kurz nach dem Start in New York den Schub beider Triebwerke, weil er in 2.818 Fuß (etwa 860 m) Höhe in einen Vogelschwarm geriet. Das Flugzeug glitt etwa dreieinhalb Minuten lang, dann setzte die Crew es auf dem Hudson River auf. Alle 155 Menschen an Bord überlebten (Unfallbericht NTSB AAR-10/03).
- Was hat der Bernoulli-Effekt mit dem Fliegen zu tun?
- Er beschreibt dieselbe Strömung von der Druckseite her: Wo die Luft über dem Flügel schneller strömt, ist der Druck geringer, und dieser Unterdruck auf der Oberseite liefert den größten Teil des Auftriebs. Falsch ist nur die oft angehängte Begründung, die Luft oben müsse wegen des längeren Wegs schneller sein. Sie ist schneller, weil der Flügel die Strömung umlenkt. Newton beschreibt dasselbe Umlenken nach unten von der Kraftseite her.
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