1 — Die vier Kräfte
Dieses ganze Fach hängt an vier Kräften. Im Flug wirken auf ein Flugzeug Auftrieb, Gewicht, Schub und Widerstand, und wie sie sich ausgleichen, entscheidet, ob es steigt, sinkt, beschleunigt oder gleichmäßig fliegt.
- Gewicht ist die Schwerkraft, die senkrecht nach unten durch den Schwerpunkt wirkt.
- Auftrieb ist die aerodynamische Kraft, die das Flugzeug oben hält, und wirkt (per Definition) senkrecht zur Anströmung durch den Druckpunkt des Flügels.
- Schub ist der Zug (oder Schub) des Propellers, der ungefähr nach vorne wirkt.
- Widerstand ist der Luftwiderstand gegen die Bewegung, der gerade nach hinten entlang der Flugbahn wirkt.
Im stationären Horizontalflug heben sich die Kräfte paarweise auf: Auftrieb gleicht Gewicht aus, Schub gleicht Widerstand aus. Sind alle vier im Gleichgewicht, fliegt das Flugzeug mit konstanter Geschwindigkeit und Höhe geradeaus — ohne Beschleunigung.
2 — Wie ein Flügel Auftrieb erzeugt
Den Auftrieb versteht man am besten zuerst, denn das ganze Fach baut darauf auf. Es gibt zwei klassische Erklärungen, und eine Prüfung kann sich auf beide stützen — aber sie sind zwei Beschreibungen ein und derselben Physik, keine Konkurrenten.
Sichtweise nach Newton: Der Flügel lenkt eine Luftmasse nach unten ab (den Abwind). Nach dem dritten Gesetz erzeugt dieser Druck nach unten auf die Luft eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion nach oben auf den Flügel — den Auftrieb.
Sichtweise nach Bernoulli: Über der stärker gewölbten Oberseite beschleunigt die Luft, daher sinkt dort ihr statischer Druck; die langsamere Luft unten bleibt auf höherem Druck. Die Druckdifferenz, wirkend über die Flügelfläche, ist der Auftrieb.
Beide beschreiben dieselbe Physik auf zwei Arten. Die Luft wird nach unten umgelenkt (Newton), und diese Umlenkung geht mit der schnelleren Strömung geringeren Drucks über der Oberseite einher (Bernoulli). Keine allein ist „die“ Ursache — zusammen ergeben sie den Auftrieb.
Newton betrachtet den Impuls: Der Flügel lenkt eine große Luftmasse nach unten ab (den Abwind). Diese Luft nach unten zu drücken erfordert, dass der Flügel auf sie drückt, und die Luft drückt mit einer gleich großen, entgegengesetzten Reaktion zurück nach oben — diese Reaktion ist der Auftrieb.
Bernoulli betrachtet den Druck: Über der stärker gewölbten Oberseite beschleunigt die Luft, daher sinkt ihr statischer Druck, während die langsamere Luft darunter auf höherem Druck bleibt. Diese Druckdifferenz über die Flügelfläche ist der Auftrieb. Beide Sichtweisen stimmen überein, und beide erfordern, dass der Flügel die Luft unter einem Anstellwinkel trifft — der Star von Lektion 2.
3 — Statischer, dynamischer und Gesamtdruck
Bernoullis Gedanke beruht darauf, den Druck der Luft in zwei Anteile zu zerlegen, deren Summe entlang einer Stromlinie konstant bleibt:
- Statischer Druck
- der ungestörte Umgebungsdruck der Luft
- Staudruck
- der Druckanteil aus der Bewegung — wächst mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit
- Gesamtdruck
- statisch + dynamisch — was das Pitotrohr misst (Pitotdruck)
Entlang einer Stromlinie ist der Gesamtdruck konstant: Wo die Luft beschleunigt (über der Tragflächenoberseite), steigt der Staudruck und der statische Druck sinkt — genau dieser Unterdruck oben erzeugt den Auftrieb. Der Fahrtmesser zeigt die Geschwindigkeit über den Staudruck an; weil q von der Dichte abhängt, ist das die angezeigte (IAS), nicht die wahre Fluggeschwindigkeit.
- Statischer Druck ist der gewöhnliche Umgebungsdruck der Luft.
- Dynamischer Druck (Staudruck) ist der Druck der Bewegung — und er wächst mit dem
Quadrat der Geschwindigkeit:
q = ½ ρ V². - Gesamtdruck (Pitotdruck) ist die Summe der beiden.
4 — Das Profil und die Anströmung
Der Querschnitt eines Flügels ist ein Profil. Einige Begriffe kehren ständig wieder:
- Die Profilsehne verbindet die Vorderkante mit der Hinterkante.
- Die Anströmung ist die Luftströmung, wie das Flugzeug ihr begegnet — stets parallel zur Flugbahn und ihr entgegengesetzt.
- Der Anstellwinkel (α) ist der Winkel zwischen der Profilsehne und der Anströmung. (Lektion 2 macht ihn zur entscheidenden Größe.)
Die Gesamtreaktion des Flügels auf die Luft ist eine einzige resultierende Luftkraft, die im Druckpunkt wirkt. Wir zerlegen sie immer in zwei Komponenten, definiert relativ zur Strömung: Auftrieb rechtwinklig zur Anströmung und Widerstand entlang von ihr.
5 — Warum das für die Pilotin und den Piloten zählt
Man fliegt nie die Formeln, aber man fliegt ihre Folgen. Der Auftrieb muss dem Gewicht gleichen, um die Höhe zu halten, und du hast nur zwei Stellgrößen für den Auftrieb: wie schnell du fliegst (Staudruck) und welchen Anstellwinkel du einstellst. Fliegst du schneller, kommst du mit einem kleineren Anstellwinkel aus; fliegst du langsamer, musst du den Anstellwinkel erhöhen, damit der Auftrieb dem Gewicht gleich bleibt — bis der Winkel nicht mehr reicht und der Flügel überzieht (Lektion 4).
Alle Zahlen hier sind beispielhaft; die tatsächlichen Werte und Grenzen deines Flugzeugs stehen in seinem POH/AFM.
