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500 Tonnen und schwerer – Warum können Flugzeuge fliegen?

SCHNELL ERKLÄRTGesetze der Physik  

500 Tonnen und schwerer – Warum können Flugzeuge fliegen?

23.01.2019, 15:56 Uhr | mab, t-online.de

500 Tonnen und schwerer – Warum können Flugzeuge fliegen?. Antonow An-225: Das größte Frachtflugzeug der Welt (84 Meter lang, 88 Meter Spannweite) wiegt 285 Tonnen, ein Airbus A380 bis zu 560 Tonnen – die Gesetze der Physik lassen selbst diese Kolosse abheben. (Quelle: imago images/CTK Photo)

Antonow An-225: Das größte Frachtflugzeug der Welt (84 Meter lang, 88 Meter Spannweite) wiegt 285 Tonnen, ein Airbus A380 bis zu 560 Tonnen – die Gesetze der Physik lassen selbst diese Kolosse abheben. (Quelle: CTK Photo/imago images)

Sie wiegen Hunderte Tonnen. Und doch heben sie ab. Was genau ist es, das Flugzeuge fliegen lässt? Das Geheimnis ist ein Prinzip, dem Sie umgekehrt häufig an der Ampel begegnen.

285 Tonnen – und zwar ohne Ladung – wiegt der größte Flieger der Welt (Antonow An-225), rund 3.500 km/h erreichte der schnellste (Lockheed SR-71A Blackbird): Flugzeuge sind zu Erstaunlichem fähig. Dazu zählt bereits das Fliegen selbst. Wie ist das eigentlich möglich?

Vereinfacht gesagt, ist es das Zusammenspiel von vier physikalischen Kräften, das einem Flugzeug das Fliegen erlaubt – sofern das Verhältnis zwischen diesen Kräften aufgeht:

  • Der Vortrieb (er bewegt das Flugzeug nach vorne)
  • Der Widerstand (er bremst das Flugzeug)
  • Der Auftrieb (er wirkt nach oben)
  • Die Schwerkraft (sie wirkt nach unten)

Warum hebt ein Flugzeug ab?

Durch den Vortrieb des Flugzeugs strömt Luft an seinen Tragflächen vorbei. Wenn diese Luft nach unten gelenkt wird, entsteht gleichzeitig eine Gegenkraft. Diese Kraft wirkt in die entgegengesetzte Richtung, also nach oben: Es entsteht ein dynamischer Auftrieb.

Die physikalischen Prinzipien dafür sind das Zweite und das Dritte Newtonsche Gesetz. Es lautet:
"Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt." Und: "Wirken zwei Körper aufeinander ein, so wirkt auf jeden der Körper eine Kraft. Die Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet."

Aber nur, wenn der Auftrieb stärker ist als die Schwerkraft, steigt das Flugzeug nach oben. Je mehr Gas der Pilot gibt, desto mehr Luft passiert die Tragflächen. Das Tempo zu steigern ist also eine Möglichkeit, um an Höhe zu gewinnen.

Aber wie wird die Luft umgelenkt?

Neben dem Vortrieb des Flugzeugs gibt es noch zwei weitere Bedingungen dafür, dass es in die Luft aufsteigt:

  • Ein geeignetes Profil seiner Tragflächen (also deren Form im Querschnitt). Die Tragfläche soll unter anderem wenig Strömungswiderstand erzeugen – denn er erschwert das Fliegen. 
  • Der Anstellwinkel muss passen. Das ist der Winkel, in dem die Tragflächen zur anströmenden Luft stehen und diese Luft nach unten umleiten.

Auch diese beiden Eigenschaften entscheiden zusammen mit dem Tempo darüber, wie viel Luft nach unten umgeleitet wird. Das Gewicht eines Flugzeugs ist insofern kein Problem – sofern das Zusammenspiel aus Tempo, Tragflächenprofil und Anstellwinkel entsprechend entgegenwirkt.

Zumindest bei einigen Flugzeugen kommt ein Effekt hinzu, der auf den Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli (1700–1782) zurückgeht. Dieser Effekt tritt an den Tragflächen der Flugzeuge auf. Wer sich die Tragflächen genau ansieht, kann feststellen: Sie sind oben leicht gewölbt. Das hat zur Folge, dass die Luft oberhalb des Flügels schneller strömt als an seiner Unterseite. Unten entsteht dadurch ein Überdruck und oben ein Unterdruck – die Tragflächen (und damit das Flugzeug) werden nach oben gesaugt.

Die Umkehrung von Auftrieb ist Abtrieb

Heckflügel eines Rennwagens: Er kehrt das Prinzip der Tragfläche um. Durch seine Neigung wird strömende Luft nach oben umgeleitet, die entgegengesetzte Kraft drückt das Auto nach unten auf den Asphalt. (Quelle: imago images/Mario Aurich)Heckflügel eines Rennwagens: Er kehrt das Prinzip der Tragfläche um. Durch seine Neigung wird strömende Luft nach oben umgeleitet, die entgegengesetzte Kraft drückt das Auto nach unten auf den Asphalt. (Quelle: Mario Aurich/imago images)

Einer Umkehrung dieses Effekts können Sie übrigens immer wieder an der Ampel begegnen, und zwar am Heckflügel des Autos vor Ihnen. Dieser Flügel ist im Grunde geformt wie eine umgedrehte Tragfläche: Er ist hinten leicht hochgebogen. So leitet er die vorbeiströmende Luft nach oben um, und die entgegengesetzte Kraft wirkt nach unten. Deshalb spricht man hier vom Abtrieb. Er hilft dabei, Autos bei sehr hohem Tempo fest am Boden zu halten.

Verwendete Quellen:
  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
  • welt.de
  • eigene Recherche
  • weitere Quellen
    weniger Quellen anzeigen

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