Flugzeuge sind echte Schwergewichte. Die Maschine, die Dich an Deinen Urlaubsort bringt, wiegt wahrscheinlich mitsamt seiner Ladung mehrere hundert Tonnen – und er erhebt sich immer wieder zuverlässig in die Lüfte. Das bringt so manchen Passagier ins Grübeln: Wie gelingt es, dieses tonnenschwere Gerät von der Startbahn zu lösen und es in den Himmel zu befördern? Dahinter steckt natürlich keine Magie, sondern ganz normale Physik. Die Frage »Warum fliegt ein Flugzeug« lässt sich deshalb relativ leicht beantworten.
Wie genau fliegt ein Flugzeug? Ein Mix aus vier Kräften
Vier verschiedene Kräfte sind es, die dem Flugzeug das Fliegen erlauben. Ihr Verhältnis muss allerdings stimmen, damit es tatsächlich aufwärts geht. Dies sind die physikalischen Faktoren, die das scheinbare Wunder vollbringen:
- Der Antrieb versetzt die Maschine in eine Vorwärtsbewegung.
- Der Luftwiderstand bremst das Flugzeug aus.
- Der Auftrieb wirkt als diejenige Kraft, die nach oben zieht.
- Das Gewicht zieht die Maschine wiederum nach unten.
Wenn Flugzeuge sich in der Luft befinden und sich bei unveränderter Flughöhe konstant vorwärtsbewegen, dann heben sich die vier genannten Kräfte gegenseitig auf. Dies entspricht dem Trägheitsgesetz nach Isaac Newton. Es wird weder gebremst noch beschleunigt oder ein Richtungswechsel vollzogen.
Flugzeuge fliegen – aber wie genau?
Zwei der genannten Kräfte bringt das Flugzeug mit seinen speziellen Funktionen selbst auf: den Antrieb und den Auftrieb. Die anderen beiden sind von der Natur gegeben.
So funktioniert der Antrieb
Der Grund, warum Flugzeuge fliegen, liegt unter anderem in ihrem starkem Antrieb. Ein einfaches Propellerflugzeug drückt mit seinem Propeller die Luft nach hinten, dabei wirkt das 3. Newtonsche Prinzip (Kraft und Gegenkraft), sodass dieselbe Luft das Flugzeug nach vorn katapultiert. Düsentriebwerke schleudern erhitzte Gase mit hoher Geschwindigkeit hinter sich, damit eben diese Gase das ganze Flugzeug nach vorn drücken.
So kommt der Auftrieb zustande
Die Flügel sind gegenüber dem Flugzeugrumpf leicht schräggestellt, sodass die dort entlangströmende Luft nach unten gelenkt wird. Gleichzeitig drückt dieselbe Luft nach Newtons 3. Prinzip die Flügel und damit die ganze Maschine nach oben.
Bei vielen Fliegern kommt noch der Unterdruck-Überdruck-Effekt durch die gewölbten Flügel hinzu. Die Luft strömt durch diese Bauweise auf der Unterseite schneller entlang als auf der Oberseite. So entsteht unten ein Überdruck, während oben ein Unterdruck wirkt. Das Flugzeug wird dadurch förmlich nach oben gesagt.
Wie hebt das Flugzeug vom Boden ab?
Haben wir Antrieb und Auftrieb verstanden, können wir nun auch erklären, warum die Maschine vom Boden abhebt. Zuerst ist eine hohe Beschleunigung vonnöten, dafür muss der Antrieb den Reibungswiderstand der Luft deutlich übertreffen. Die Luft strömt mit wachsender Geschwindigkeit an den schrägen Flügen vorbei und bewirkt einen dynamischen Auftrieb. Dieser wiederum muss größer werden als das Gesamtgewicht des Fliegers, damit sich das Flugzeug schließlich in die Lüfte erhebt. Richtet sich nun die Nase der Maschine Richtung Himmel, muss der Antrieb besonders stark werden, weil die Erdanziehung sich wie eine Bremskraft verhält.
Wie wirken die Kräfte bei der Landung?
Auch das Landen gehört zum Fliegen fest dazu, hier dreht sich die Wirkung der Kräfte teilweise um. Die Nase des Flugzeugs zeigt in Richtung Boden, die Erdanziehungskraft ersetzt damit teilweise den Antrieb. Der Widerstand er Luft sollte größer sein als der Antrieb, um den Flieger auf eine geeignete Geschwindigkeit abzubremsen. Schließlich musst auch Du bei Deinem Fahrrad kräftig in die Bremsen treten, wenn es rasant bergab geht und unten ein Hindernis auf Dich wartet.
Die Luftreibung als wichtiges Phänomen beim Fliegen
Damit der Antrieb möglichst wenig zu tun hat, sind Flugzeuge stromlinienförmig gebaut. Doch je schneller der Flieger sich nach vorn bewegt, desto höher wird trotz allem der Widerstand der Luft, der sich aufgrund der schräggestellten Flügel noch weiter verstärkt. Die schrägen Flügel lassen sich wegen des benötigten Auftriebs nicht vermeiden, sie sind aber alles andere als windschlüpfrig. Jetzt kommt auch noch das Gewicht der Maschine mit ins Spiel: Denn die Flügel müssen umso größer werden, je mehr der Flieger wiegt – und damit wächst der Luftwiderstand wieder einmal an. Große Flugzeuge benötigen also stärkere Triebwerke und verbrauchen deshalb mehr Treibstoff.
Der Anstellwinkel der Tragflächen ist variabel
Die Frage »Warum fliegen Flugzeuge?« ist damit zumindest in vereinfachter Form beantwortet. Interessant ist es sicher, noch einen kurzen Blick auf die Tragflächen zu werfen: Ihre Neigung ist verstellbar, sodass sie die Luft in verschiedenen Winkeln nach unten lenken können. Während sie in jeder Flugsituation den passenden Auftrieb erzeugen sollen, muss der Strömungswiderstand so gering wie möglich bleiben. Die Geschwindigkeit entscheidet über die Menge der gegen die Flügel gepressten Auftriebsluft, während der Anstellwinkel die Luftrichtung bestimmt.
Wer sämtliche genannten Fakten betrachtet, der kommt zu dem Schluss, dass das Gewicht eines Flugzeugs im Grunde keine Rolle spielt, solange sich nur genügend Auftrieb erzeugen lässt. Das Ergebnis: Die Maschine überwindet die Erdanziehungskraft und schwebt schon kurz darauf hoch oben den Wolken.
