Warum fliegt ein Flugzeug?

Damit ein Flugzeug fliegen kann, braucht es Auftrieb. Auftrieb entsteht durch Luft, die von vorne um die Tragflächen strömt. Viele Menschen glauben, dass hauptsächlich die Luft, die unter den Tragflächen entlang strömt, das Flugzeug trägt. Tatsächlich ist dies nur bedingt richtig. Die entstehende Kraft unter den Tragflächen macht nur etwa ein Drittel des gesamten Auftriebs aus. Die restlichen zwei Drittel des Auftriebs stammen vom Sog, der an der Oberseite herrscht. Die Tragfläche auf der Oberseite stärker gewölbt als auf der Unterseite. Diese Wölbung ist nicht entscheidend für den Auftrieb, verbessert ihn jedoch. Auch ein flacher Flügel erzeugt Auftrieb

Der Flügel muss in einem bestimmten Anstellwinkel ausgerichtet sein. Darüber hinaus muss er in einer bestimmten Art geformt sein: vorne rund und hinten spitz zulaufend. Außerdem muss die Oberseite des Flügels stärker gewölbt sein, als es bei der Unterseite der Fall ist. Bewegt sich das Flugzeug und somit die Flügel, so wird die Luft an den Flügeln geteilt. Dann fließt die Luft zu einem Teil oben und zum anderen Teil unten an dem Flügel vorbei. Da der Flügel gewölbt ist, muss die Luft an der oberen Seite einen lüngeren Weg hinter sich bringen und an der Unterseite einen kürzeren. Deshalb strömt die Luft an der Oberseite schneller vorbei als an der Unterseite.

Nach der Bernoullischen Gleichung ist der Druck eines Gases umso geringer, je schneller es sich bewegt. Da die Luft sich über die Oberseite des Flügels schneller bewegt, entsteht ein Unterdruck, der den Flügel nach oben saugt. Und da der Flügel stark genug ist, um den Rumpf zu tragen, hebt sich das ganze Flugzeug in die Höhe.

Erhöhung des Auftriebs

Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit am Tragflügelprofil bedeutet grundsätzlich Auftriebs- und Widerstandserhöhung. Der Auftrieb nimmt zu, weil der positive Druck an der Unterseite des Tragflügelprofils aufgrund des Auftreffens der schnelleren Luftströmung anwächst, oder die größere Strömungsgeschwindigkeit den Unterdruck (Sog) an der Oberseite des Tragflügels erhöht (Gesetz von Bernoulli), odereine größere Druckdifferenz zwischen Tragflügelober- und Tragflügelunterseite erzeugt wird. Der Widerstand erhöht sich dabei, weil jede Auftriebserhöhung mit einer Widerstandserhöhung verbunden ist. Auftrieb und Widerstand ändern sich im Quadrat zur Geschwindigkeit.

Der Aufbau des Tragflügels

Der Tragflügel ist der Teil des Flugzeugs, der das Fliegen überhaupt erst möglich macht. Obwohl theoretisch eine einfache Platte ausreichen würde, verwendet man üblicherweise Tragflügel mit einem exakt gezeichneten Querschnitt, der seiner vorgesehenen Anwendung oder Funktion angepasst ist.

Entscheidend für Auftrieb sind der Anstellwinkel und der Einstellwinkel eines Tragflügels.

Anstellwinkel

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen dem Flugwind und der Profilsehne.Zum genaueren Verständnis ist zu sagen, dass der Flugwind die dem Flugweg genau entgegen gesetzte Geschwindigkeit der wirkenden Luftströmung ist und somit den gleichen Wert wie die wahre Eigengeschwindigkeit hat. Vereinfacht heißt das, dass der Anstellwinkel die Neigung des Flügels im Wind beschreibt.Wenn der Anstellwinkel also 0° beträgt, so steht der Flügel waagrecht gegen den Flugwind,dieser trifft also genau frontal auf die Vorderkante.

Einstellwinkel

Es sei denn, der Einstellwinkel beträgt nicht 0°. Der Einstellwinkel ist laut Definition der Winkel, der zwischen der Längsachse des Flugzeugs und der Profilsehne gemessen wird. Er ist durch die Konstruktion vorgegeben, beschreibt also, wie der Flügel an den Rumpf montiert ist.

Grenzschicht

Die Grenzschicht ist eine Luftschicht auf der Oberfläche eines Tragflügels, in der die Geschwindigkeit der Luftströmung von Null im Staupunkt direkt an der Oberfläche des Tragflügels auf ein Maximum anwächst und mit größer werdendem Abstand von der Tragfläche wieder die Geschwindigkeit der ungestört umgebenden Luftströmung annimmt.

Staupunkt

Der Staupunkt ist der Punkt der Flügelvorderkante, der als erstes der frontal entgegenwirkenden Luftströmung ausgesetzt wird. An ihm wird die Luft am Flügel in zwei Teile aufgespaltet. Eine Hälfte fließt über die Flügeloberseite und die andere Hälfte fließt unter dem Tragflügel nach hinten. Der obere Teil des Flügels stellt beim asymmetrischen Profil die größere Wegstrecke dar. Dort muss die Luft somit schneller fließen, woraus eine größere Geschwindigkeit resultiert. Höhere Geschwindigkeit bedeutet gleichsam einen höheren dynamischen Druck. Somit herrscht auf der Flügeloberseite ein geringerer statischer Druck. Der entstandene Druckunterschied an Ober- und Unterseite des Flügels führt zu einer Druckausgleichbewegung in Richtung des geringeren statischen Druckes, also nach oben. Dorthin wird auch der Flügel gehoben.

Umschlagpunkt/ Strömungsabriss

Der Prozess des Abreißens der Strömung fängt in der Grenzschicht direkt über der Außenhaut an. Sie verläuft bis zum sog. Umschlagpunkt laminar, wird hinter diesem Punkt turbulent und strömt hinter dem Ablösepunkt als turbulente Strömung zurück. Ein Strömungsabriss tritt ein, wenn sich die Grenzschicht soweit von der Tragfläche abgelöst hat, dass der für den Geradeausflug benötigte Auftrieb nicht mehr erzeugt werden kann. Das bedeutet, dass die den Tragflügel unströmende Luft dem Verlauf des Profils nicht mehr folgen kann. Dies tritt dann ein, wenn der kritische Anstellwinkel eines Flugprofils erreicht bzw. überschritten wird. Geschehen kann das bei jeder Geschwindigkeit. Das Überziehen ist einer der häufigsten Gründe für Flugzeugabstürze. Es entsteht wie folgt: Mit steigendem Anstellwinkel wandert der Punkt, an dem die Grenzschicht vom Flügel abgelöst wird, auf der Oberseite des Profils immer weiter nach vorne. Wenn der Anstellwinkel einen bestimmten Wert erreicht, liefert der Luftstrom vor diesem Ablösepunkt nicht mehr genug Auftrieb und somit kann die Höhe nicht gehalten werden. Normalerweise tritt dies bei etwa 16°-18° Anstellwinkel ein. Am Flugzeug äußert sich der Strömungsabriss durch heftige Turbulenzen, die am Flügel ausgelöst werden und auf das Höhenleitwerk schlagen. Somit entsteht ein im Flugzeug deutlich spürbares Schütteln und Schlagen.