Warum fliegen Flugzeuge?

Flugzeuge sind eines der weitverbreitesten und sichersten Transportmittel weltweit. Warum Flugzeuge fliegen können, ist allerdings vielen nicht bekannt. Zwar existieren online viele Beiträge, welche die physikalischen Prozesse erklären, doch stellen diese die Vorgänge in der Regel vereinfacht, wenn nicht sogar faktisch falsch dar. Welche häufigen Misskonzeptionen es gibt und welches die tatsächlichen Gründe sind, warum ein Flugzeug fliegt, erfahren Sie im folgenden Artikel.

Inhalt

1. Grundlegende Kräfte: Auftrieb, Druck & Luftwiderstand

2. Newtons Gesetze, der Bernoulli-Effekt & verbreitete Irrtümer

3. Wie Flugzeuge fliegen

Grundlegende Kräfte: Auftrieb, Druck & Luftwiderstand

Zunächst gilt es, die grundlegenden physikalischen Prinzipien zu verstehen, die beim Fliegen eine Rolle spielen. Besonders wichtig sind hier Auftrieb, Druck & Luftwiderstand:

1. Auftrieb
   Luft ist ein Gas und genau wie Flüssigkeiten können Gase strömen. Der normale Luftstrom, den wir zum Beispiel in Form von Wind wahrnehmen, verläuft dabei parallel zum Boden. Auftrieb ist eine Kraft, die senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft wirkt, also vom Boden weg. Um ein Flugzeug fliegen zu lassen, gilt es daher, Auftrieb zu erzeugen.

2. Druck
   Auch beim Druck kann es helfen, sich eine Flüssigkeit zum Vergleich vorzustellen. Tiefer im Meer ist das Gewicht und damit auch der Druck, den Wasser auf einen Körper ausübt, höher – ganz genauso verhält es sich beim Luftdruck. Eine weitere Parallele ist, dass Luft einen gegebenen Raum möglichst gleichmäßig ausfüllt. Ist an einer Stelle weniger Luft vorhanden als an einer anderen, spricht man von Unterdruck. Die Luft wird nach Möglichkeit an diese Stelle zurückströmen, um den Druck wieder auszugleichen.

3. Luftwiderstand
   Auch wenn wir Luft nicht bewusst wahrnehmen, befinden wir uns nicht in einem Vakuum. Die gesamte Atmosphäre der Welt ist mit Luft gefüllt und jede Bewegung in eine bestimmte Richtung erfordert daher einen Antrieb, andernfalls bleiben wir stehen. Je schneller wir uns bewegen wollen, desto größer wird dieser Widerstand.

Newtons Gesetze, der Bernoulli-Effekt & verbreitete Irrtümer

Neben den grundlegenden Kräften gibt es auch bestimmte physikalische Regelsätze zu beachten, um zu erklären, warum Flugzeuge fliegen. Besonders Newtons drittes Gesetz und der Bernoulli-Effekt werden in diesem Zusammenhang immer wieder genannt und können tatsächlich zur Erklärung dienen. Fälschlicherweise wird aber insbesondere der Bernoulli-Effekt oft als alleiniger Faktor erwähnt – und dabei häufig auch noch falsch erklärt.

Newtons Gesetze

Isaac Newton hat drei Grundgesetze zur Bewegung beobachtet, die nach ihm als newtonsche Gesetze bekannt geworden sind.

1. Gesetz: Eine Kraft muss auf einen Körper einwirken, um diesen zu bewegen oder seine bestehende Bewegung zu verändern. Wenn wir einen Tennisball in der Hand halten und ihn loslassen, fällt er herab, weil die Schwerkraft auf ihn wirkt. Wir können ihn aber aufheben, indem wir eine größere Kraft darauf ausüben.

2. Gesetz: Die Änderung der Bewegung ist proportional zur eingesetzten Kraft. Wenn wir einen Tennisball werfen, fliegt er weiter, je fester wir werfen. Zudem geschieht die Bewegung in Richtung der einwirkenden Kraft, der Tennisball bewegt sich also in die Wurfrichtung.

3. Gesetz: Für jede Kraft wirkt eine genauso große Kraft in die Gegenrichtung. Bei unserem Beispiel mit dem Tennisball ist dies nicht sofort ersichtlich. Stellt man sich aber vor, während des Wurfs auf einem Skateboard zu stehen, wird der Fall deutlicher – hier würde der Wurf dazu führen, dass wir uns mit dem Skateboard ein Stück in die dem Wurf entgegengesetzte Richtung bewegen. 

Bernoulli-Effekt

Der Bernoulli-Effekt besagt, dass strömende Flüssigkeiten und Gase einen geringeren Druck auf ihre Umgebung ausüben als stehende. Dieser Effekt nimmt zu, je schneller die Bewegung ist. Bei einem schnell am Boden fahrenden Flugzeug nimmt also der Luftdruck auf das Flugzeug ab.

Verbreitete Irrtümer

Allein reichen weder Newtons Gesetze noch der Bernoulli-Effekt aus, um zu erklären, warum Flugzeuge fliegen. Oft wird behauptet, das Abheben würde dadurch erreicht, dass sich die Luft schneller über die Tragflächen als unter ihnen hindurch bewegt und so der Bernoulli-Effekt allein das Flugzeug anhebe. Hierbei ist die Grundannahme der schnelleren Luftbewegung zwar richtig, der Effekt allein würde aber nicht genügen, um ein Flugzeug zum Fliegen zu bringen.

Wie Flugzeuge fliegen

Der genaue physikalische Vorgang beim Fliegen eines Flugzeugs ist komplex. Mit den genannten Kräften und Gesetzen kann das grundsätzliche Prinzip aber nachvollziehbar erklärt werden. Wie ein Flugzeug funktioniert, lässt sich Schritt für Schritt wie folgt darstellen:

1. Das Flugzeug beschleunigt
   Durch die Triebwerke wird das Flugzeug auf der Startbahn vorwärts bewegt. Die Luft strömt schneller um die Maschine herum, durch den Bernoulli-Effekt nimmt der Luftwiderstand ab.

2. Die Tragflächen drücken die Luft abwärts
   Durch die Form und Ausrichtung der Tragflächen, wird Luft nach unten gedrückt, während sich das Flugzeug vorwärts bewegt. Newtons 3. Gesetz sorgt dafür, dass die Tragflächen in die andere Richtung gedrückt werden – Auftrieb wird erzeugt.

3. Das Flugzeug hebt ab
   Mehrere Kräfte wirken nun zusammen. Durch den Bernoulli-Effekt entsteht ein Unterdruck über den Tragflächen. Auch der Auftrieb drückt diese aufwärts. Je schneller sich das Flugzeug bewegt, desto größer werden diese Kräfte. Ab einem bestimmtem Punkt, der immer von der Größe und dem Gewicht der Maschine abhängt, hebt das Flugzeug ab.

4. Mit zunehmender Höhe wird weiter beschleunigt
   Wie schnell ein Flugzeug fliegt, hängt auch von der Flughöhe ab. Je weiter die Maschine steigt, desto geringer wird auch der Luftwiderstand. Das heißt, das Flugzeug bewegt sich hier schneller. Es kann allerdings nicht über eine bestimmte Höhe steigen, da durch den geringen Luftwiderstand sonst nicht mehr genug Auftrieb erzeugt werden würde.

5. Luftbremsen und Landeklappen bremsen ab
   Soll das Flugzeug landen, werden die genannten Kräfte reduziert. Sogenannte Luftbremsen und Landeklappen an den Tragflächen können ausgefahren werden, um geregelt den Auftrieb zu verringern und den Luftwiderstand zu erhöhen. Dadurch wird die Maschine langsamer und sinkt Richtung Boden.

Es ist also ein Zusammenwirken verschiedener Effekte, welches erklärt, warum Flugzeuge fliegen. Die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze machen sich aber auch andere Fluggeräte, wie zum Beispiel Zeppeline, für das Aufsteigen zunutze. Für welche Art des Fliegens Sie sich auch entscheiden, wir wünschen Ihnen auf jeden Fall eine angenehme Reise.