Wer jemals mit einem Flugzeug geflogen ist, weiß, dass es eine wirklich riesige und faszinierende Maschine ist. Eine typische Boeing 747 kann mehr als fünfhundert Passagiere befördern und wiegt beim Start knapp 363 Tonnen. Dennoch rollt das schwere Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von bis zu 290 km/h problemlos die Start- und Landebahn hinunter und hebt sich wie von Geisterhand in die Luft, wo es bis zu 13.000 Kilometer ohne Unterbrechung zurücklegen kann. Unglaublich, möchte man meinen. Warum können Flugzeuge fliegen und dabei trotzdem solch schwere Gewichte transportieren? Finden wir es heraus.
Die Aerodynamik eines Flugzeugs
Wenn wir Flugzeuge vom Boden aus verfolgen, können wir uns nur schwer vorstellen, wie die riesigen Maschinen in der Luft es überhaupt schaffen, abzuheben. Daher betrachten wir zu allererst einmal die vier wirkenden Aerodynamiken eines Flugzeugs. Diese sind Luftwiderstand, Schubkraft, Gewicht und Auftrieb. Unter Luftwiderstand versteht man die Kräfte, die der relativen Bewegung eines sich bewegenden Objektes gegenüber einer umgebenden (Luft-)Masse entgegenwirken. Die Energie, die benötigt wird, um die umgebende Luftmasse zu durchdrücken, erzeugt Luftwiderstand.
Ein ausgezeichnetes Beispiel für die Reduzierung des Luftwiderstands kann man im Radsport ausmachen. Der Radfahrer muss sich durch die Luftmasse nach vorne durchdrücken. Dafür nimmt er eine stromlinienförmige Sitzhaltung an, die die Luft sanfter durchschneidet und dem Radfahrer eine viel schnellere Fahrt mit weniger Kraftaufwand ermöglicht.
Das Flugzeug fährt nach dem Start immer das Fahrwerk und das Bugfahrwerk in den Flugzeugkörper ein, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Schubkraft wirkt dem Luftwiderstand entgegen. Es ist eine mechanische Kraft, die dem Flugzeug in der Luft zur Bewegung verhilft. Der Schub wird durch Propeller, Strahltriebwerke oder Raketen erzeugt. Der Verdichter (auch Turbokompressor) im Inneren eines Strahltriebwerks nimmt die Luft auf und verdichtet sie. Nach der Verarbeitung wird die verdichtete Luft durch die Brennkammer und die Turbine geführt, und das Gas anschließend durch die Schubdüse nach Außen geblasen.
Hierbei kommt Newtons drittes Bewegungsgesetz zur Anwendung, dass das Gas nach hinten, und der Motor nach vorne geschoben werden muss. Für die Formel wird zudem ein Wert für das Gewicht des Körpers benötigt. In diesem Fall ist das der Flugzeugkörper zusammen mit der Passagier- und Gepäcklast.
Der eigentliche Auftrieb wird dabei durch die Flügel erzeugt, die das Flugzeug in der Höhe halten. Um ein Flugzeug also tatsächlich zum Fliegen zu bringen, müssen all diese Bedingungen zutreffen, was wiederum bedeutet, dass keine Nettokraft auf ein Flugzeug einwirkt.
Ist der Luftwiderstand demnach größer als der Schub, verlangsamt sich der Flugkörper. Wenn der Schub jedoch größer als der Luftwiderstand ist, bewegt sich das Flugzeug schneller. Wenn das Gewicht wiederum größer als der Auftrieb ist, sinkt das Flugzeug ab. Ist der Auftrieb größer als das Gewicht, steigt das Flugzeug.
Flugzeugbauweise erklärt
Die Grundbauweise eines Flugzeugs setzt sich aus Tragflächen (bzw. Flügel), Horizontalstabilisator und Vertikalstabilisator zusammen. Die Tragflächen zählen zu den wichtigsten Bestandteilen eines Flugzeugs, da sie den nötigen Auftrieb erzeugen, der ein Flugzeug erst fliegen lässt. Eine Tragfläche erzeugt Auftrieb durch seine leicht geneigte und spezielle Form, die auch als Tragflächenprofil bezeichnet wird. Diese spezielle Form wurde entwickelt, um die Luft unterhalb der Tragfläche umzulenken, da dort mehr Luftströme als am oberen Ende des Flügels auftreten.
Wenn ein Flugzeug die Landebahn hinunterrollt, entsteht ein Überdruck unter dem Flügel bzw. der Tragfläche und gleichzeitig ein Unterdruck oberhalb der Tragfläche. Das Ergebnis ist die Entstehung von Auftrieb, die das Anheben des Flugzeugkörpers ermöglicht.
