Fliegen mit Antrieb

Wir Menschen träumen schon lange vom Fliegen, wie wir es von Vögeln und Insekten kennen. Heutzutage ist dieser Traum mehr oder weniger Realität geworden. Auch wenn unsere Menschenkörper nicht von alleine fliegen können, haben wir viele Fortbewegungsmittel wie z.B. Flugzeuge und Hubschrauber erfunden, um es mit deren Hilfe zu können. Doch wie funktionieren diese?

Arbeitsmittel

Warum fliegt ein Flugzeug?

Flugzeuge können sich durch ihre großen Triebwerke sehr schnell fortbewegen. Die schnelle Bewegung der Flugzeugtragflächen relativ zur Luft führt zu einer Auftriebskraft, die das ganze Flugzeug aufheben kann. Diese Kraft entsteht durch die Strömung der Luft um die Flügel. Man spricht in diesem Fall vom dynamischen Auftrieb. Doch wie kommt es zu dieser Auftriebskraft?

Vögel und Flugzeuge fliegen wegen ihrer dynamischen Flügelform.
Vögel und Flugzeuge fliegen wegen ihrer dynamischen Flügelform.
Stromlinien der Luft, die um einen Flügel strömt.
Stromlinien der Luft, die um einen Flügel strömt.

Waagrecht strömende Luft wird durch die Form des Flugzeugflügels nach unten umgeleitet. Als Ausgleich erfährt der Flügel einen dynamischen Auftrieb und kann fliegen, wenn der Auftrieb groß genug ist, um das Gewicht des Flugzeugs aufzuheben. Natürlich muss dafür das Flugzeug auch schnell genug unterwegs sein, damit die Luft sehr schnell über den Flügel strömt.

Für das Phänomen des Fliegens spielen im Wesentlichen die folgenden zwei physikalischen Effekte zusammen: geringer Luftdruck über dem Flügel (entsteht durch den sogenannten Bernoulli-Effekt) und der Impulsfluss der Luft.

Luftdruck und Bernoulli-Effekt

Durch die spezielle Form und die Neigung des Flügels bewegen sich die Luftteilchen an der Oberseite des Flügels schneller. Schnell bewegte Luft hat einen niedrigeren Druck. Dieser Unterdruck sorgt für eine Auftriebskraft.

Experiment

Unterdruck durch Pusten

Ein Kind bläst über einen Streifen Papier, der an die Unterlippe gehalten wird. Die schnell bewegte Atemluft erzeugt einen Unterdruck, der das Blatt Papier nach oben saugt.
Die schnell bewegte Atemluft erzeugt einen Unterdruck, der das Blatt Papier nach oben saugt.

Schneide dir einen schmalen Streifen Papier zurecht, zum Beispiel von einem A4-Blatt. Halte eine Seite an deine Unterlippe und puste ganz fest gerade aus! Merkst du, wie es den Streifen in die Richtung des Luftstroms zieht?

Der Druckunterschied alleine ist allerdings zu wenig, um ein Flugzeug in der Luft zu halten. Nur in Kombination mit dem folgenden Effekt ist Fliegen möglich.

Impulsfluss

Die Luftteilchen verändern ihre Flugrichtung, wenn sie über die Flügel strömen. Bei perfekt konstruierten Flügeln wird der Luftstrom durch die Strömung über den Flügel nach unten geleitet. Damit die Bewegungen von Luft und Flügel insgesamt ausgeglichen bleiben, führt das zu einer Bewegung des Flügels nach oben, einem Auftrieb.

Der Effekt des Flügels auf den Luftstrom hängt sehr stark von seinem Neigungswinkel ab. Allerdings wird bei zu starker Neigung auch der Widerstand größer und das Flugzeug wird gebremst. Den Effekt des Neigungswinkels auf die Luft-Strömung kann man besonders gut spüren, wenn man bei fahrendem Auto die Hand aus dem Fenster hält und abwechselnd flach und leicht schräg hält. Ähnlich funktioniert es in Wasser, wie in diesem Versuch:

Experiment

Impulsfluss des Wassers

Eine Hand wird unter Wasser bei horizontal gehaltener Hand in Richtung des Daumens bewegt. Daneben wird die Hand etwas aufgewinkelt bewegt. Bei leicht aufgewinkelter Hand spürt man eine nach oben treibende Kraft. Winkelt man zu sehr auf, spürt man nur einen Widerstand.
Bei leicht aufgewinkelter Hand spürt man eine nach oben treibende Kraft (Auftrieb). Je mehr man die Hand allerdings aufwinkelt, desto mehr Widerstand spürt man.

Versuche deine Hand auf zwei Arten in Wasser zu bewegen:

  1. Halte die Hand flach und bewege sie schnell in Richtung des Daumens.
  2. Halte die Hand ein bisschen aufgewinkelt und bewege sie wieder schnell in dieselbe Richtung.

Was spürst du? Was passiert wenn du die Handfläche im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung hältst?

Warum fliegt ein Vogel?

Das Flugvermögen von Vögeln basiert auf denselben Prinzipen wie das von Flugzeugen. Der Vogelflug ist jedoch viel komplizierter. Es gibt zwei Phasen beim Vogelflug: den Steigflug und den Senkflug, die je nach Vogelart jeweils unterschiedlich lange sind. Beim Steigflug schlägt der Vogel die Flügel kräftig nach unten und erzeugt so einen großen Auftrieb. Beim Senkflug leitet der Vogelflügel durch seine Form die Luft, die von vorne kommt, nach unten ab. Es entsteht ein Auftrieb, der allerdings kleiner ist als das Gewicht des Vogels. Trotzdem sinkt der Vogel im Senkflug wegen seiner aerodynamischen Form im Flug nur langsam ab.

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