Wie entsteht Auftrieb? Ein verbreiteter Irrtum und die richtige Erklärung

Im ersten Schritt haben wir gesagt, dass die Kraft, die ein Flugzeug in der Luft hält, der Auftrieb ist und dass ihn die Tragflächen erzeugen. In diesem Schritt sehen wir uns an, wie die Tragfläche diese Kraft erzeugt. Zuerst räumen wir mit einem sehr verbreiteten Irrtum auf.

Der verbreitete Irrtum: „gleiche Laufzeit“

Viele Quellen erklären es so: Die Oberseite der Tragfläche ist stärker gewölbt, also länger. Luftteilchen, die sich vor der Tragfläche trennen, müssen sich hinter ihr gleichzeitig wieder treffen. Da die Luft oben einen längeren Weg zurücklegt, strömt sie schneller; schnellere Luft hat einen geringeren Druck, und dieser Druckunterschied drückt die Tragfläche nach oben.

Das klingt logisch, aber die Grundlage dieser Erklärung ist falsch. Die NASA und Lehrmaterialien der Aerodynamik sagen das deutlich:

• Es gibt keine Regel, dass sich die Teilchen hinten treffen. Windkanal- und Rauchversuche zeigen, dass die Luft über der Oberseite die Hinterkante früher erreicht als die Luft unter der Tragfläche.
• Ein längerer Weg ist nicht nötig. Auch symmetrische Tragflächen mit gleicher Ober- und Unterseite erzeugen Auftrieb. Ebenso ein Papierflieger aus einem flachen Blatt oder ein Segel, das fast eine dünne Platte ist.
• Rückenflug lässt sich damit nicht erklären. Kunstflugzeuge können auf dem Rücken fliegen; nach dieser Theorie wäre das unmöglich.
• Die Rechnung geht nicht auf. Der mit dieser Annahme berechnete Geschwindigkeitsunterschied erklärt nur einen Teil des gemessenen Auftriebs.

Die richtige Erklärung: Die Tragfläche lenkt die Luft um

Eine Tragfläche ändert die Richtung der Luft, durch die sie sich bewegt. Eine angestellte oder gewölbte Tragfläche lenkt die Luft, die über und unter ihr strömt, nach unten ab. Diese abwärts gerichtete Strömung hinter der Tragfläche nennt man Abwind (downwash).

Man kann das auf zwei Arten betrachten, und beide sind richtig:

Aus Newtons Sicht

Die Tragfläche drückt die Luft nach unten. Nach dem dritten newtonschen Gesetz drückt die Luft die Tragfläche mit einer gleich großen Kraft nach oben. Je stärker Sie die Richtung der Luft ändern, desto mehr Auftrieb entsteht.

Aus Sicht des Druckunterschieds

Folgt Luft einer gekrümmten Bahn, sinkt der Druck auf der Innenseite dieser Krümmung. Entlang der Oberseite biegt sich die Luft um die Tragfläche nach unten, und der Druck auf der Oberseite fällt unter den Umgebungsdruck. Auf der Unterseite steigt der Druck leicht an. Dieser Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite erzeugt die Nettokraft, die die Tragfläche nach oben drückt. Wo der Druck sinkt, wird die Luft schneller; genau diesen Zusammenhang beschreibt die Bernoulli-Gleichung.

In den Worten der NASA sind „Bernoulli“ und „Newton“ keine konkurrierenden Erklärungen, sondern zwei Seiten desselben Vorgangs. Ob Sie die Druckverteilung über die Tragfläche aufsummieren oder die Impulsänderung der Luft berechnen, Sie erhalten dieselbe Auftriebskraft.

Warum ist das wichtig?

• Die Oberseite ist entscheidend. Ein großer Teil des Auftriebs stammt vom Druckabfall auf der Oberseite. Eis, Reif, Schmutz oder eine eingerissene Bespannung stören diese Strömung und verringern den Auftrieb. Prüfen Sie die Tragfläche Ihres Modells vor dem Flug.
• Auch eine symmetrische Tragfläche fliegt. Kunstflugmodelle verwenden symmetrische Profile; sie erzeugen Auftrieb über den Anstellwinkel und verhalten sich im Rückenflug ähnlich.
• Mehr Auftrieb heißt, mehr Luft umzulenken. Das hängt von Geschwindigkeit, Anstellwinkel, Flügelfläche und Profilform ab. Im nächsten Schritt fassen wir das in der Auftriebsgleichung zusammen.

Selbst ausprobieren

Ein symmetrisches Profil erzeugt bei null Grad Anstellwinkel keinen Auftrieb, ein gewölbtes schon. Ändern Sie den Winkel, vergleichen Sie beide Profile und sehen Sie, was bei negativen Winkeln passiert.

Der nächste Schritt

In einer einzigen Gleichung sehen wir, von welchen Größen der Auftrieb abhängt: Warum vervierfacht sich der Auftrieb bei doppelter Geschwindigkeit, und warum brauchen Flugzeuge an hoch gelegenen und heißen Orten längere Pisten?