Wie fliegt ein Flugzeug? Auftrieb, Flügel und ein berühmter Irrtum

Einem Passagierjet beim Steigflug zuzusehen, kann sich wie Magie anfühlen. Eine Maschine von Hunderten Tonnen, voller Menschen, Gepäck und Treibstoff, hebt von der Piste ab und bleibt stundenlang in der Luft. Die Physik dahinter ist aber erstaunlich bodenständig – und alles hängt davon ab, wie Flügel Luft bewegen.

Die vier Kräfte des Fliegens

In jedem Moment wirken vier Kräfte auf ein Flugzeug:

• Das Gewicht zieht es zum Boden.
• Der Auftrieb der Flügel drückt es nach oben.
• Der Schub von Triebwerken oder Propellern treibt es vorwärts.
• Der Widerstand der Luft bremst es.

Im gleichmäßigen Horizontalflug gleicht der Auftrieb das Gewicht aus und der Schub den Widerstand. Zum Steigen braucht es mehr Auftrieb, zum Beschleunigen mehr Schub als Widerstand.

Wie ein Flügel Auftrieb erzeugt

Ein Flügel hat einen besonderen Querschnitt, das Tragflächenprofil: vorne abgerundet, hinten schlank und meist oben stärker gewölbt. Zudem trifft er die anströmende Luft mit einer leichten Neigung nach oben, dem Anstellwinkel.

Fliegt das Flugzeug vorwärts, ändert der Flügel die Richtung der umströmenden Luft. Die Luft verlässt die Hinterkante nach unten gelenkt. Nach Newtons drittem Gesetz gibt es zu jeder Kraft eine gleich große Gegenkraft: Drückt der Flügel Luft nach unten, drückt die Luft den Flügel nach oben. Ein großes Verkehrsflugzeug schickt jede Sekunde Tonnen von Luft nach unten.

Derselbe Effekt lässt sich über den Druck beschreiben. Über der gewölbten Oberseite wird die Luft schneller und ihr Druck sinkt. Unter dem Flügel wird sie etwas gebremst, ihr Druck steigt. Der höhere Druck unten drückt stärker nach oben, als der geringere Druck oben nach unten drückt. Den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Druck beschreibt das Bernoulli-Prinzip.

Das sind keine konkurrierenden Theorien, sondern zwei Beschreibungen derselben Strömung – Luftfahrtingenieure nutzen beide.

Der Mythos der gleichen Laufzeit

Viele Schulbücher erklärten den Auftrieb früher so: Die Luft über dem Flügel hat einen längeren Weg und muss deshalb schneller sein, um sich an der Hinterkante mit der Luft von unten zu „treffen“. Das Glenn Research Center der NASA bezeichnet diese Erklärung ausdrücklich als falsch.

Es gibt keine Regel, dass sich die beiden Luftströme wieder treffen müssen. Windkanalversuche zeigen sogar, dass die Luft über der Oberseite die Hinterkante früher erreicht als die Luft unten. Der Mythos kann auch nicht erklären, warum flache oder symmetrische Flügel und kopfüber fliegende Flugzeuge Auftrieb erzeugen. Der wahre Grund sind Form und Winkel des Flügels, die die Strömung umlenken.

Geschwindigkeit, Größe und Luft

Wie viel Auftrieb ein Flügel liefert, hängt ab von:

• der Geschwindigkeit: Der Auftrieb wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit – doppelte Geschwindigkeit, etwa vierfacher Auftrieb;
• der Flügelfläche: größere Flügel, mehr Auftrieb;
• der Luftdichte: dünne Luft in großer Höhe oder an heißen Tagen liefert weniger Auftrieb;
• dem Anstellwinkel: ein steilerer Winkel liefert bis zu einer Grenze mehr Auftrieb.

Deshalb müssen Flugzeuge auf der Piste schnell werden, deshalb haben Flughäfen in heißen, hoch gelegenen Städten oft sehr lange Bahnen, und deshalb fahren Flugzeuge bei Start und Landung Landeklappen und Vorflügel aus. Sie machen den Flügel größer und stärker gewölbt, damit er auch bei geringerer Geschwindigkeit genug Auftrieb liefert.

Wenn der Auftrieb verloren geht

Wird der Anstellwinkel zu steil, kann die glatte Strömung der Wölbung der Oberseite nicht mehr folgen. Sie reißt in turbulente Wirbel ab, und der Auftrieb bricht plötzlich ein – der Strömungsabriss. Mit einem Triebwerksausfall hat das nichts zu tun. Piloten senken die Nase, um den Winkel zu verringern und wieder eine anliegende Strömung zu bekommen.

Kurz gesagt

• Vier Kräfte wirken auf ein Flugzeug: Auftrieb, Gewicht, Schub und Widerstand.
• Flügel erzeugen Auftrieb, indem sie Luft nach unten lenken; die Luft drückt den Flügel nach oben.
• Derselbe Effekt zeigt sich als geringerer Druck oben und höherer Druck unten.
• Die Erklärung mit der „gleichen Laufzeit“ ist ein Mythos.
• Der Auftrieb hängt von Geschwindigkeit, Flügelfläche, Luftdichte und Anstellwinkel ab.
• Ein Strömungsabriss entsteht, wenn der Winkel zu steil wird.