Warum bleibt ein Flugzeug in der Luft? Die vier Kräfte

Mit diesem Beitrag starten wir die Reihe Luftfahrt Schritt für Schritt. Jeden zweiten Tag bringen wir die Grundlagen des Fliegens einen Schritt weiter. Der erste Schritt ist die Grundlage für alles Weitere: die vier Kräfte, die auf ein Flugzeug in der Luft wirken.

Ein Verkehrsflugzeug und ein Modellflugzeug, das Sie im Park fliegen lassen, folgen denselben physikalischen Gesetzen. Auf jedes Flugzeug, das mit konstanter Geschwindigkeit, in gleicher Höhe und geradeaus fliegt, wirken vier grundlegende Kräfte: Auftrieb, Gewicht, Schub und Widerstand.

1. Gewicht: der Anteil der Schwerkraft

Das Gewicht ist die Kraft, mit der die Erde das Flugzeug anzieht; es zeigt immer nach unten, zum Erdmittelpunkt. Rumpf, Tragflächen, Motor, Kraftstoff oder Akku und die Zuladung tragen alle zum Gesamtgewicht bei.

In Berechnungen nimmt man an, dass das Gewicht in einem einzigen Punkt angreift, dem Schwerpunkt. Die Lage dieses Punktes ist für das Gleichgewicht des Flugzeugs sehr wichtig; wir widmen ihm einen eigenen Schritt.

2. Auftrieb: die Kraft gegen das Gewicht

Der Auftrieb ist die aerodynamische Kraft, die das Flugzeug in der Luft hält, und er wird größtenteils von den Tragflächen erzeugt. Er wirkt senkrecht zur Flugrichtung; im Horizontalflug zeigt er nach oben.

Für Auftrieb braucht es zweierlei: Luft und Bewegung. Die Tragfläche muss mit Luft in Kontakt sein, und zwischen Luft und Tragfläche muss eine Relativgeschwindigkeit bestehen. Ohne Luft ist eine Tragfläche nutzlos, und wenn keine Luft über die Tragfläche strömt, entsteht auch kein Auftrieb. (Selbst ein Modell am Boden kann bei starkem Wind Auftrieb erzeugen; deshalb werden Modelle bei Wind am Boden gesichert.)

3. Widerstand: der Widerstand der Luft

Der Widerstand ist die Kraft, mit der die Luft der Bewegung entgegenwirkt; er wirkt genau entgegen der Flugrichtung. Er hängt von der Form des Flugzeugs, der Luftdichte und der Geschwindigkeit ab. Mit der Geschwindigkeit wächst der Widerstand schnell; bei gleicher Form und gleichem Anstellwinkel vervierfacht eine Verdoppelung der Geschwindigkeit den Widerstand ungefähr. (Der „induzierte Widerstand“, ein Nebenprodukt des Auftriebs, nimmt dagegen mit steigender Geschwindigkeit ab; dazu später mehr.)

Die Kraft, die Sie spüren, wenn Sie auf einem fahrenden Fahrrad die Hand zur Seite ausstrecken, ist ebenfalls eine Art Widerstand.

4. Schub: die Kraft, die den Widerstand überwindet

Der Schub ist die vom Antrieb erzeugte Kraft, die das Flugzeug nach vorne treibt. Bei Propellerflugzeugen beschleunigt der Propeller Luft nach hinten; bei Strahltriebwerken werden heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen. In beiden Fällen gilt: Wird Luft oder Gas in eine Richtung gedrückt, wird das Flugzeug in die Gegenrichtung gedrückt.

Was passiert, wenn die Kräfte im Gleichgewicht sind?

Hier kommt das erste newtonsche Gesetz ins Spiel: Sind die Kräfte auf einen Körper im Gleichgewicht, bleibt er entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit in derselben Richtung weiter.

Ist also der Auftrieb gleich dem Gewicht und der Schub gleich dem Widerstand, bleibt das Flugzeug nicht stehen; es fliegt mit gleicher Geschwindigkeit in gleicher Höhe weiter. Das nennt man stationären Horizontalflug.

Ist eine Kraft größer als die andere, beschleunigt das Flugzeug in Richtung der größeren Kraft:

• Ist der Schub größer als der Widerstand, wird das Flugzeug schneller.
• Ist der Widerstand größer als der Schub, wird das Flugzeug langsamer.
• Ist der Auftrieb größer als das Gewicht, beschleunigt das Flugzeug nach oben und beginnt zu steigen.
• Ist das Gewicht größer als der Auftrieb, beginnt das Flugzeug zu sinken.

Was bedeutet das für Modellflieger?

• Jedes Gramm zählt. Je schwerer Ihr Modell, desto mehr Auftrieb müssen die Tragflächen erzeugen. Das bedeutet eine höhere Fluggeschwindigkeit und eine höhere Überziehgeschwindigkeit.
• Motor und Propeller müssen den Widerstand mühelos überwinden. Mit einem zu schwachen Motor erreicht das Flugzeug die Startgeschwindigkeit nicht oder kann nicht steigen.
• Auch wo das Gewicht sitzt, ist wichtig. Wird der Akku ein paar Zentimeter nach vorn oder hinten verschoben, ändert sich das Flugverhalten.

Selbst ausprobieren

Stellen Sie die vier Kräfte im Werkzeug unten selbst ein. Wenn Sie den Auftrieb gleich dem Gewicht und den Schub gleich dem Widerstand setzen, sehen Sie, warum das Flugzeug nicht stehen bleibt, sondern mit konstanter Geschwindigkeit weiterfliegt.

Der nächste Schritt

Wir haben gesagt, dass der Auftrieb das Flugzeug in der Luft hält; aber wie erzeugt die Tragfläche diese Kraft? Eine verbreitete Erklärung, die noch im Internet und in manchen Lehrbüchern kursiert, ist eigentlich falsch. Im nächsten Schritt sehen wir uns diesen Irrtum und die richtige Erklärung gemeinsam an.