Kategorie: So funktioniert das Fliegen
Wie fliegt ein Flugzeug? Auftrieb am Flügel und Strömungsabriss
Kurz gesagt
Ein Flugzeug fliegt, weil seine Flügel die Luft, durch die sie sich bewegen, nach unten lenken. Wird Luft nach unten gedrückt, entsteht eine gleich große Kraft nach oben: der Auftrieb. Dieselbe Strömung hinterlässt über dem Flügel niedrigeren und unter dem Flügel höheren Druck.
Auftrieb: eine Luftströmung, zwei Beschreibungen
Auftrieb ist die Kraft, die ein Flugzeug gegen sein Gewicht in der Luft hält. Ein Flügel erzeugt ihn, indem er die vorbeiströmende Luft umlenkt, und Ober- wie Unterseite helfen beide, die Strömung nach unten abzulenken. Wird Luft nach unten gedrückt, wird der Flügel nach oben gedrückt: Aktion und Reaktion, wie in Newtons drittem Gesetz.
In derselben Strömung herrscht über dem Flügel niedrigerer und unter ihm höherer Druck, und das Bernoulli-Prinzip verknüpft diesen Druck mit der Geschwindigkeit der Luft. Das sind keine konkurrierenden Theorien. Die NASA nennt beide Beschreibungen richtig, und laut FAA wirken beide, wann immer ein Flügel Auftrieb erzeugt.
Probier es selbst aus
Bewege den Regler für den Anstellwinkel und sieh zu, wie der Auftrieb entlang der Kurve wächst, bis zum kritischen Winkel, an dem sich die Strömung ablöst und der Auftrieb einbricht.
Zwei Irrtümer über den Auftrieb
Die Idee der gleichen Laufzeit besagt, die Luft über der längeren Oberseite des Flügels müsse schneller strömen, um an der Hinterkante gleichzeitig mit der Luft von unten anzukommen. Das stimmt nicht: Die Luft über der Oberseite strömt sogar noch schneller und erreicht die Hinterkante zuerst. Außerdem kann diese Idee weder flache Papierfliegerflügel noch den Rückenflug erklären.
Ein anderer Irrtum besagt, die Wissenschaft könne das Fliegen nicht erklären. Die Einzelheiten sind kompliziert, und kurze Erklärungen vereinfachen sie oft zu stark, aber die Gleichungen der Strömungslehre beschreiben den Auftrieb, und Ingenieure berechnen damit die Kraft auf einen Flügel.
Anstellwinkel und Strömungsabriss
Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen dem Flügel und der anströmenden Luft. Über ihn verändert der Pilot vor allem den Auftrieb, mit dem Steuerhorn oder dem Steuerknüppel. Mehr Winkel ergibt mehr Auftrieb, bis zum kritischen Anstellwinkel, je nach Bauart etwa 16° bis 20°. Darüber löst sich die Luft von der Flügeloberseite, und der Auftrieb bricht ein: ein Strömungsabriss. Der Flügel erzeugt noch etwas Auftrieb, aber nicht genug, um das Flugzeug zu tragen.
Warum Geschwindigkeit und Gewicht zählen
Der Auftrieb wächst außerdem stark mit der Geschwindigkeit: Bei doppelter Fahrt erzeugt derselbe Flügel beim selben Winkel viermal so viel Auftrieb. Ein langsames Flugzeug braucht deshalb einen größeren Anstellwinkel, um die Höhe zu halten, ein schnelles einen kleineren. Auch das Gewicht zählt, denn der Auftrieb muss es ausgleichen.
Häufige Fehler und Irrtümer
- Newton und Bernoulli für konkurrierende Erklärungen halten. Beide beschreiben dieselbe Strömung.
- Glauben, ein Flügel mit abgerissener Strömung erzeuge keinen Auftrieb. Er erzeugt noch etwas, nur nicht genug.
- Glauben, nur die gewölbte Oberseite des Flügels zähle. Sein Winkel zur Luft ist genauso wichtig.
Häufige Fragen
Wie kann ein Flugzeug auf dem Rücken fliegen?
Auftrieb braucht keine gewölbte Oberseite. Symmetrische und sogar flache Papierfliegerflügel erzeugen Auftrieb, weil sie schräg angeströmt werden. Im Rückenflug hält der Pilot den Flügel in einem Winkel, der die Luft weiterhin zum Boden hin lenkt, sodass die Kraft nach oben zeigt.
Warum braucht ein schwereres Flugzeug mehr Geschwindigkeit?
Ein schwereres Flugzeug braucht mehr Auftrieb. Der Pilot kann den Anstellwinkel vergrößern, aber nur bis zum kritischen Winkel, und der ändert sich mit dem Gewicht nicht. Darüber hinaus bringt nur mehr Fahrt mehr Auftrieb, deshalb reißt die Strömung bei einem schwereren Flugzeug schon bei höherer Fahrt ab.
Kann ich das in einem Flugsimulator sehen?
Ja. In den kostenlosen Lektionen von AeroFox hebst und senkst du die Nase eines leichten Schulflugzeugs und beobachtest, wie sich die Fahrt ändert, und fliegst dann in sicherer Höhe langsam an der Überziehwarnung. Es ist ein Lernwerkzeug, keine zertifizierte Ausbildung, und wird für keine Lizenz angerechnet.
Im Simulator üben
In der kostenlosen Lektion „Langsamflug“ fliegst du ein leichtes Schulflugzeug knapp über der Überziehwarnung, hältst deine Höhe, hebst dann die Nase, bis das Horn ertönt, und leitest sofort aus.
Eine weitere Lektion zum Thema: Steuerung und Trimmung
Verwandte Erklärungen
Quellen
Die verlinkten Quellen sind auf Englisch.
- Was ist Auftrieb? (NASA Glenn Research Center, Leitfaden zur Luftfahrt für Einsteiger)
- Bernoulli und Newton (NASA Glenn Research Center, Leitfaden zur Luftfahrt für Einsteiger)
- Theorie der gleichen Laufzeit (eine falsche Theorie des Auftriebs) (NASA Glenn Research Center, Leitfaden zur Luftfahrt für Einsteiger)
- Einfluss der Neigung auf den Auftrieb (NASA Glenn Research Center, Leitfaden zur Luftfahrt für Einsteiger)
- Handbuch der Luftfahrtkenntnisse für Piloten (FAA-H-8083-25C), Kapitel 4 und 5 (FAA)
- Handbuch zum Fliegen von Flugzeugen (FAA-H-8083-3C), Kapitel 5: Langsamflug und Strömungsabrisse (FAA)
Über diese Erklärungen
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