Grundlagen des Fliegens
Doch was hält die Flugzeuge am Himmel ? Sind die Strassen wirklich so stabil, wie sie den Anschein erwecken?
Warum fliegt ein Flugzeug eigentlich
Der Druck machts
Die häufigste Erklärung, warum Flugzeuge fliegen basiert auf dem sogenannten Bernoulli Effekt. Der Druckunterschied über und unter der Tragfläche „saugt“ das Flugzeug quasi nach oben.Der Druckunterschied entsteht durch die Form der Tragflächen. Aufgrund der Wölbung muss der Luftstrom oberhalb der Tragfläche eine längere Wegstrecke zurücklegen als unterhalb des Flügels. Da die Geschwindigkeit oben und unten jedoch gleich groß ist, entsteht ein Unterdruck oberhalb der Tragfläche. Dieser Effekt führt dazu, dass ein Flugzeug Auftrieb (lift) bekommt.
Diese Theorie hat einige Schwächen und erklärt z.B. nicht, warum ein Flugzeug zum Beispiel auf dem Kopf liegen kann. Ebenso lässt sich der sogenannte „Ground Effekt“, also der erhöhte Auftrieb beim Flug in niedriger Höhe nicht erklären.
Die Aussage, dass die Geschwindigkeit der Luft oberhalb und unterhalb der Tragfläche gleich ist, wird in dem folgenden Video widerlegt.
Aktio gleich Reaktio
In dem Aufsatz von David Anderson und Scott Eberhardt[1] wird eine andere Erklärung dafür gesucht, warum Flugzeuge fliegen. Sie basiert auf den Newtonschen Gesetzten und beschreibt auch die Effekte, die mit der klassischen Begründung nicht ausreichend erklärt werden können.Die 3 Newtonschen Gesetzte:
- Trägheitsprinzip
Ein Körper bleibt so lange in Ruhe oder Bewegung, bis eine Kraft dem entgegen wirkt.
- Aktionsprinzip
Kraft ist das Produkt aus Masse und Beschleunigung (F=ma).
Die Änderung der Bewegung einer Masse ist proportional der einwirkenden Kraft und wirkt in Richtung der einwirkenden Kraft.
- Reaktionsprinzip
Kräfte treten immer paarweise auf. Jeder Kraft steht eine in Betrag und Richtung entgegenwirkende Kraft gegenüber.
Übertragen wir das auf unsere Tragfläche, so bedeutet dies, dass für die Erzeugung der notwenigen Auftriebskraft genügend Masse beschleunigt werden muss. Als Masse steht jedoch nur Luft zur Verfügung. Die Tragfläche ist demnach eine riesige Luftpumpe, die die Luftmasse oberhalb der Tragfläche nach unten beschleunigt.
Die Richtung in die die Luft beschleunigt wird, gibt die Richtung der Kraft vor, die auf das Flugzeug ausgeübt wird. Während die Beschleunigung im Wesentlichen vom Schub bestimmt wird, wird die Richtung der Kraft vom Angriffswinkel der Tragfläche („angle of attack“ ) bestimmt. Diese Erklärung ist demnach unabhängig von der Form einer Tragfläche. Dieser Umstand darf allerdings nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Tragflächenform wesentlich die Flugeigenschaften eines Flugzeuges beeinflusst. Bestimmte superkritische Flügelkonstruktionen kommen jedoch vollständig ohne eine Wölbung an der Oberseite aus, manche Tragflächen haben ihre Wölbung sogar an der Unterseite und sie fliegen doch…
Ebenso erklärt dieser Ansatz, warum es aerodynamisch günstiger ist, Triebwerke unterhalb der Tragfläche zu platzieren. Während die Luft überwiegend von der Oberseite der Tragfläche nach hinten / unten beschleunigt wird, hat die Luftmasse unterhalb der Tragfläche nur eine geringere Bedeutung.
Auch der Ground-Effekt ist über den Newtonschen Ansatz erklärbar. Betrachtet man die Luftströmung in der Nähe des Bodens, so bewirken die Luftströmungen eine Erhöhung des Drucks unterhalb der Tragflächen. Dies kann genutzt werden, um bereits bei einer Geschwindigkeit abzuheben, die eigentlich noch keine stabile Fluglage zulässt. Der Ground-Effekt wird oft dazu benutzt, um in geringer Flughöhe zunächst schneller Geschwindigkeit zu gewinnen als dies beim Rollen auf dem Boden möglich wäre.
[1] David Anderson und Scott Eberhardt: A physical decription of flight: Revisited