warum - ein - flugzeug - fliegt . de

Eigentlich hatte ich geglaubt , mich mit solchen Gedanken nicht mehr befassen zu müssen , aber vor einigen Wochen wurde ich eines Besseren belehrt . Mein Enkel brachte aus der Schule eine Hausaufgabe mit nach Hause , die sich mit dem Thema „ Fliegen “ befasste . Dort wurde wie selbstverständlich erklärt , dass der Bernoulli-Effekt dafür verantwortlich wäre .

In der Woche darauf wurde das Thema weiter ausgeführt und auf das Vortriebsgerät Schiffsschraube erweitert , der Hubschrauber wurde ebenfalls erwähnt . Außerdem waren ein paar Zahlen , angeblich Messwerte aus praktischen Versuchen mit einem Großflugzeug , diesen Informationen beigefügt .

Spätestens bei der Erwähnung der Schiffsschraube war ich jedoch aufmerksam geworden , damit hatte ich mich in der Vergangenheit schon einmal auseinander gesetzt , dass hier ganz klar das Rückstoß-Prinzip griff , war klar . Also sah ich mir die gelieferten Zahlen einmal näher an .

Da war davon die Rede , dass etwa 3 % des normalen Luftdrucks für den Auftrieb verantwortlich seien , und die seien an den Tragflächen gemessen worden . Nun kann man mit den 3 % nicht viel anfangen , dazu muss man ein wenig die Physik bemühen . Ich nahm mir also meine alte Formelsammlung aus früheren Zeiten und fing an zu blättern . Minuten später hatte ich einige Zahlen herausgeschrieben : So ist der Normaldruck in Meereshöhe bei 760 Torr angesiedelt . Nach neuerer Literatur also bei 1013 mbar . Nun entspricht 1 bar ( 1000 mbar ) ( heute verwendet man den Wert Pascal ) 100.000 Pa .                       1 Pa ist dabei der Wert 1 N / m2 .

Das heißt , der Normaldruck in Meereshöhe hat den Wert von 101 , 3 kN / m2                                    Davon sollten 3 % ausreichen , also 3 , 039 kN / m2 , um dem Flugzeug                                                                                                                                                                                                             den nötigen Auftrieb zu verschaffen .

Zwei andere Eckdaten aus dem Flugzeugbau z.B. einer Boing 747 sind Flügelfläche 525 m² und Masse des abflugfertigen,vollgetankten Flugzeugs von ca . 386 t .

Es ergibt sich somit eine Auftriebskraft von: 3 , 039 kN / m2 x 525 m² = 1595 , 475 kN , also runde 1596 kN

Nach der Formel für die Berechnung der Gewichtskraft eines Körpers gilt aber :                   G = m x g = 386.000 Kg x 9 , 81 m / s2 = 3786 , 660 kN , also runde 3787 kN

Bliebe jetzt nur noch zu klären , woher der Flieger die fehlenden 2200 kN nimmt , um sich majestätisch in die Lüfte zu erheben !

Jetzt war nicht nur mein Interesse geweckt , ich spielte bereits mit dem Gedanken , bei der Schule meines Enkels vorstellig zu werden um den Sachverhalt zu klären .

In den folgenden Wochen bin ich des Öfteren über die Erklärung von „Fachleuten“ gestolpert , das Bernoulli-Gesetz sei die Ursache der Tatsache , warum ein Flugzeug

fliegt .

Den Ausschlag zur Erstellung dieser „website“ gab aber schließlich die Aussage eines Flugkapitäns ( am 1.April 09 ) in einer „wissenschaftlichen“ Sendung , der

ebenfalls das Bernoulli-Gesetz als Begründung brachte .

Heute weiß ich , es war als Aprilscherz gedacht !

In der Folgezeit begann ich zu recherchieren , was so an ernst zu nehmenden und weniger ernst zu nehmenden Aussagen zu erfahren ist , einige dieser Aussagen

sollen hier ebenfalls kurz besprochen werden . Wirklich erschüttert hat mich die Tatsache , dass es tatsächlich im Gedankengut der Deutschen mindestens drei

Theorien darüber gibt , warum ein Flugzeug fliegt .

Und das in einem Land , in dem ca. 35 – 40 % aller Bürger Abitur haben , also den Nachweis erbracht haben , befähigt zu sein an einer Hochschule studieren zu dürfen ,

möglicherweise bei geschätzten 800 Physik - Professoren .

Da beschleicht mich - leise vor mich hinweinend - die Geschichte vom Elfenbeinturm .

Wie auch immer , diese drei Flugtheorien will ich hier kurz schildern . Nach meinen Recherchen folgte die Entscheidung , die Gliederung der website so vorzunehmen

wie sie jetzt aussieht . Um sich vernünftig in dieses Thema einzuarbeiten , macht es Sinn die Beschreibung der Begriffe in der vorgegebenen Reihenfolge zu lesen .

Dazu möchte ich mit dem Physiker Daniel Bernoulli beginnen .

Daniel Bernoulli

Der Physiker Daniel Bernoulli lebte von 1700 bis 1782 ( ab 1732 in Basel ) und arbeitete wie damals üblich mit vielen Experimenten zur Unterstützung bzw. Bestätigung von physikalischen Aussagen .

Bei diesen Experimenten untersuchte er den Zusammenhang zwischen der Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit und ihrem Druck ,d.h. er fand heraus , dass in einer strömenden Flüssigkeit ein Geschwindigkeitsanstieg mit einem Druckabfall daherkommt . Später entstand dann daraus das Bernoulli-Gesetz , das besagt , dass in einer stationären Strömung die Summe aus dem statischen und dem dynamischen Druck konstant ist . Wohlgemerkt , Bernoulli arbeitete mit nicht komprimierbaren Flüssigkeiten ( Wasser ) in einem geschlossenen Leitungssystem . Sein 1738 erschienenes Hauptwerk trägt den Titel „Hydrodynamica“ , also „Hydrodynamik“ oder zu Deutsch „Wasserdrucklehre“ .

Von diesen einfachen Versuchen mit Flüssigkeiten bis hin zu den Erklärungsversuchen für den Auftrieb von Flugzeugen ist es allerdings ein weiter Weg . Hier haben Generationen von „Physikfachleuten“ Erklärungen gesucht , manchmal nach dem Motto :

Mir drängt sich jedenfalls dieser Eindruck auf , wenn ich sehe , wie hier der nicht komprimierbare Stoff Wasser mit dem komprimierbaren Stoff Luft zusammen in einen Topf geworfen wird , bzw. wenn hier Gesetzmäßigkeiten aus ihrem Zusammenhang gerissen werden . Ich denke , das Bernoulli-Gesetz ist hier überhaupt nicht anwendbar , da der Sachverhalt ein ganz anderer ist .

In diesem Zusammenhang noch eine Anmerkung : In einigen Veröffentlichungen ( z.B. Quarks & Co )stand zu lesen : „Es ist übrigens egal ,ob die Fläche sich bewegt und die Luft stillsteht oder andersherum“ . Wer Physik auf diesem Level betreibt , sollte sich dafür einen frühen Sendeplatz wählen , möglicherweise zwischen 6:00 und 7:00 im Kika .

Wer eine Versuchsanordnung „Strömungskanal mit Prüfprofil“ gleichsetzt mit der schnellen Bewegung
einer geneigten Fläche von 525m2 Größe in der stehenden Luft , der hat die Physik nicht begriffen .

Die Zirkulation

Eine besonders interessante Erklärung ist die Zirkulationsströmung um den Flügel herum . Da wird langatmig die Entstehung von Wirbeln um die Tragfläche erklärt ,

hier gibt es einen Anfahrwirbel , der einen Gegenwirbel erzeugt u.s.w. .

Hier hat wohl jemand vergessen , zwischen Ursache und Wirkung zu unterscheiden .

Ich will hier einmal die beste Erklärung zitieren , die ich gefunden habe :

Mathematisch lässt sich die Strömung mit Auftrieb als Kombination der Strömung ohne Auftrieb und einer Zirkulation beschreiben . Diese Zirkulation ist jedoch eine mathematische Konstruktion . Es strömen in der Realität keine Luftmoleküle nach vorne .

Vereinfacht ausgedrückt :

Eine Strömung ohne Auftrieb und eine nicht vorhandene Zirkulation lassen ein Flugzeug fliegen .


Herzlichen Glückwunsch , meine Herren Mathematiker ,
das muss Euch erst mal einer nachmachen .

Sir Isaak Newton

Der große Universalgelehrte Sir Isaak Newton ( 4. Januar 1643 bis 31. März 1727 ) ging unter anderem als der Begründer der Gravitationslehre in die Geschichte ein . Grundlage dafür war das Entdecken , Beschreiben und Formulieren der Bewegungsgesetze , mit denen er den Grundstein legte für die klassische Mechanik . Hier sind sie kurz genannt !

„lex prima“ --- Trägheitsgesetz

„Jeder Körper behält seine Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung so lange bei , bis er durch äußere Kräfte gezwungen wird, seinen Bewegungszustand zu ändern.“

„lex secunda“ --- Dynamisches Grundgesetz:

„Wirkt auf einen Körper eine Kraft, so wird er in Richtung der Kraft beschleunigt. Die Beschleunigung ist dabei direkt proportional zur Kraft und indirekt proportional zur Masse des Körpers.“

„lex tertia“ --- Wechselwirkungsgesetz

„Besteht zwischen zwei Körpern 1 und 2 eine Kraftwirkung, so ist die Kraft, die Körper 1 auf Körper 2 auswirkt, gleich der Kraft, die Körper 2 auf Körper 1 auswirkt.“

Das besagt, dass Kräfte immer paarweise auftreten : Dabei sind die Kräfte allerdings entgegengesetzt gerichtet.

Dieser Zusammenhang ist auch als „Actio = Reactio“ bekannt.

Etwas einfacher ausgedrückt : Nach dem 3 . Newton`schen Axiom ist es so , dass jede Kraft ( actio ) eine gleich große Gegenkraft ( reactio ) erzeugt , die auf den Verursacher der Aktion zurückwirkt .

In praxi :

Halten Sie mal im fahrenden Kfz Ihre Hand gestreckt aus dem Fenster und kippen Sie die Handfläche so , dass der Daumen nach vorn-unten zeigt . Ihr Arm wird versuchen der vom Daumen gezeigten Richtung zu folgen . Kippen Sie die Handfläche mit Daumen nach oben und Ihr Arm wird wieder folgen . Nun wird manchmal der Einwand genannt , dass die Bewegung in einem gasförmigen Medium nicht mit Hilfe der Punktmechanik erklärt werden kann , sondern mit der Strömungsphysik erklärt werden muß .

Na meinetwegen , es ändert jedoch nichts an der Tatsache , dass die nach unten gedrückte Luft die Tragfläche hochdrückt .

Starthilfe

Ich habe ganz bewusst diese Überschrift gewählt , weil beide beschriebenen Effekte für das Flugzeug eine Starthilfe darstellen .

Der Coanda - Effekt

Herr Coanda war ein rumänischer Flugpionier und lebte von 1886 – 1972

Er beschäftigte sich berufsbedingt mit Stömungslehre und beobachtete , dass Flüssigkeiten und Gase die Eigenschaft haben

beim Hinwegströmen über gekrümmte Oberflächen eben diesen Profilen zu folgen .

Der Boden – Effekt

Dicht über dem Boden trifft der abwärts gerichtete Luftstrom auf einen erhöhten Widerstand , weil die Luft nach unten schlecht ausweichen kann .

Dieser Boden – Effekt ist zunächst nicht sichtbar , weil der Flieger beim Start nur langsam Höhe gewinnt .

Aber beobachten Sie mal einen von einem Flugzeugträger startenden Kampfjet :

Kurz vor dem Ende des Trägers hebt der Jet deutlich sichtbar ab , kaum hat er das Ende des Trägers überflogen , sackt die Maschine deutlich sichtbar nach

unten weg , weil der Boden – Effekt schlagartig wegfällt . Nun bleiben dem Piloten ca. 3 Sekunden um die Maschine hochzuziehen ,

also vergrößert er den Anstellwinkel noch mehr .

Die Tragflächenform

	Wir kennen unterschiedlich geformte Tragflächen , daraus resultieren im Wind-Kanal-Versuch unterschiedliche große Auftriebswerte . Es lohnt sich also die unterschiedlichen Tragflächenkonstruktionen einmal näher anzuschauen . Der Einfachheit halber beschränken wir uns hier auf drei unterschiedliche Ausführungen , es geht hier ja nur um die qualititive Beurteilung . 1.Das gerade im Luftstrom liegende Brett oder die schmale Eisenplatte Solange die Platte nicht angestellt wird ( Winkel mit der Horizontalen ) , wird sich an der Platte kein Auftrieb einstellen , bei Anstellen der Platte beginnt der Auftrieb ( in Abhängigkeit von der Brettdicke ) erst zu wirken , wenn die Auftriebskräfte größer sind als die bremsenden Verwirbelungskräfte von der Vorderkante der Platte .
	2.Die aerodynamisch geformte , aber symmetrische Tragfläche Hier haben wir grundsätzlich die gleichen Verhältnisse wie unter 1. , aber mit geringeren Verwirbelungen an der Vorderkante , d.h. der Auftrieb beginnt ein wenig vorher zu wirken . Diese Tragflächenform findet man z.B. an kleinen Sportflugzeugen (auch Kunstflugmaschinen ) . Hier müssen alle Flugmanöver machbar sein , auch der Flug in Rückenlage , denn hier würde die gewölbte Tragfläche die Maschine nach unten drücken .
	3.Die bei Verkehrsflugzeugen übliche aerodynamische , der Vogelschwinge nachempfundene , gewölbte Tragfläche Die Form dieser Tragfläche ist das Ergebnis von 500 Jahren Studium der Fliegerei . Bei Strömungsmessungen im Windkanal wird deutlich , dass diese Tragfläche schon Auftrieb erzeugt bei einem Anstellwinkel von 0° . Um die Ursache dafür herauszufinden , muss man sich die Tragfläche einmal näher anschauen . Das Geheimnis dieser Tragfläche ist nicht nur ihre obere Wölbung , sondern die Tatsache , dass das hintere Ende horizontal gesehen tiefer liegt als die Vorderkante .
	Daher ist die Darstellung des Strömungsverhaltens hier schräg links oben auch falsch ! Im Strömungskanal mit einer laminaren Strömung mag der Verlauf der Strömungslinien hinter der Tragfläche weiter parallel verlaufen ( das liegt aber daran , dass die bewegten Luftteilchen einen Impuls haben ) . In Natura draussen an der Luft ( sie ist hier in Ruhe - ohne Impuls ) folgt die Luft dem Profil der Tragfläche , das heisst , sie fliesst schräg nach unten um ca . 4 - 5 ° .

Beim Start passiert nun folgendes :

Am hinteren Ende der Tragfläche werden zusätzlich vorhandene Klappen ( Landeklappen ) herausgefahren , die die Form der Tragfläche unterstützen . Dazu kommt , dass der Flieger beim Start einen Startwinkel von max . ca. 15 ° hat , d.h. die Tragflächen werden um 15 ° angestellt . Durch diese Anordnung und die unterstützenden Kräfte von Coanda-Effekt und Boden-Effekt erhebt sich der Vogel in die Lüfte , dabei presst er nicht nur Tonnen von Luft durch die Triebwerke , sondern auch mit den Tragflächen nach unten . Hinter den Tragflächen kann diese vorher komprimierte Luft wieder expandieren , die dabei auftretenden Verwirbelungen sind so mächtig , dass kurz danach startende kleinere Maschinen , die in diese Wirbel gerieten , schon abgestürzt sind ( behaupten jedenfalls die Luftaufsichtsbehörden ) .

In der zweiten Phase des Startes nach dem Abheben wird nun mit zunehmender Geschwindigkeit mehr Auftrieb erzeugt , alle möglichen unterstützenden Klappen werden nach und nach eingefahren , die Maschine gewinnt zunehmend an Höhe und Geschwindigkeit , wobei der notwendige Auftrieb den immer kleiner werdenden Teil der Triebwerksleistung beansprucht , weil der Pilot eine flachere Steigkurve wählt als zu Beginn des Starts .

Die Wahrheit

Ein Flugzeug fliegt , weil es mit seinen Flügeln Luft nach unten drückt . Die Luft drückt daher das Flugzeug nach oben ! Wir sagen : Das Flugzeug stützt sich auf der Luft ab .




Analog dazu gilt :

Ein Boot bewegt sich durch das Wasser , weil es mit seiner Schiffsschraube große Mengen Wasser nach hinten drückt , gemäß dem 3 . Newton`schen Axiom wird es mit eben dieser Energie nach vorn gedrückt .