Aviation4u.de

Eine voll beladene und voll getankte Boeing 747 wiegt beim Start ca. 450 Tonnen und hebt trotzdem von der Startbahn ab. Wie kann das sein? Das hat nichts mit Zauberei zu tun, sondern mit "einfacher" Physik.

Die Kraft die diese Maschine in die Luft hebt, heißt Auftrieb. Eigentlich gibt es zwei Kräfte, die in der Luftfahrt ausgenutzt und beide Auftrieb genannt werden: der aerodynamische Auftrieb, der bei Flugzeugen wirkt, und der statische Auftrieb, den der griechische Physiker und Mathematiker Archimedes bereits im dritten Jahrhundert vor Christus entdeckte. Dieser statische Auftrieb bewirkt, dass Ballons fliegen und Schiffe schwimmen. Wie Archimedes damals mit Wasser als Medium erkannte, entspricht der Auftrieb eines Körpers der Gewichtskraft des von ihm verdrängten Volumens. Dass das Phänomen bei Wasser deutlicher zutage tritt, liegt an der sehr viel höheren Dichte des Wassers im Vergleich zu Luft. Im Toten Meer, dessen Wasser durch den hohen Salzgehalt eine noch größere Dichte aufweist, kann man problemlos auf der Oberfläche treiben ohne unterzugehen. Dabei entspricht die Gewichtskraft des vom eingetauchten Körpervolumen verdrängten Wassers, als nach oben wirkende Auftriebs-Kraft, der Gewichtskraft des Körpers.

Soll ein Ballon steigen, muss das von der Hülle verdrängte Luftvolumen schwerer sein als die Masse des Ballons – inklusive Korb, Besatzung, Ballast, Hülle und dem Gas darin. Da die Luftdichte mit der Höhe abnimmt (und damit die Masse des verdrängten Luftvolumens), wird der Auftrieb immer geringer. In der Gipfelhöhe besteht schließlich Kräftegleichgewicht zwischen Auftrieb und Gewichtskraft.

Die Fähigkeiten eines Fluggeräts bei der Ausnutzung des statischen Auftriebs sind begrenzt. Um die Nutzlast zu erhöhen, müsste die Ballonhülle immer weiter vergrößert werden. Dem sind Grenzen gesetzt.

Wenn auch Ballon oder Zeppelin dem Flugzeug bei der Flugdauer prinzipiell überlegen sind, liegen sie in Sachen Geschwindigkeit oder Manövrierfähigkeit hoffnungslos zurück. Sollen Nutzlast, Flugleistungen und Flugeigenschaften steigen, muss, wie beim Flugzeug geschehen, auf ein anderes Prinzip der Auftriebserzeugung zurückgegriffen werden: den aerodynamischen Auftrieb.

Im einfachsten Fall - dem horizontalen Reiseflug mit konstanter Geschwindigkeit und Fluglage wirken auf ein Flugzeug vier Kräfte: Schub und Widerstand in der Waagerechten die sich im gegenseitigem Gleichgewicht halten wie Auftrieb und Gewichtskraft in der Senkrechten. Da sich die Kräfte nicht im Schwerpunkt des Flugzeugs angreifen und Momente verursachen, müssen diese durch Trimmung ausgeglichen werden. Bei Start und Landung wirken prinzipiell die gleichen Kräfte. Bei Start und Landung kommen z.B. noch Rollwiderstände und Trägheitskräfte hinzu.

Der Schub wird durch das Triebwerk geliefert, der Luft-Widerstand setzt sich hauptsächlich aus Reibungs- und Druckkräften der Luftströmung zusammen. Soll das Flugzeug beschleunigt werden, muss der Schub größer sein als der Widerstand. Soll das Flugzeug steigen, muss der Auftrieb größer sein als die Gewichtskraft. Doch woher kommt der Auftrieb, der letztlich dafür sorgt, dass ein Flugzeug fliegt?

Damit an einem Flügel Auftrieb entsteht, muss eine spezielle Druckverteilung vorliegen: An der Tragflächenunterseite (bezogen auf den Umgebungsdruck) im Mittel ein Überdruck, an der Oberseite ein Unterdruck. Da der statische Druck eine auf die Fläche bezogene Kraft darstellt, ergibt eine Multiplikation des (mittleren) Drucks mit der Fläche eine Kraft, die senkrecht zur Fläche wirkt. Aufgrund der Profilform der Tragfläche fließen die Luftteilchen auf der Oberseite schneller als die auf der Unterseite. Daraus ergeben sich Druckunterschiede zwischen oben und unten. Der Weg, den die Strömung entlang des Profils oberhalb des Flügels zurücklegen muss, ist länger als unterhalb. Die unterschiedlichen Weglängen ergeben sich aus dem Profil der Tragflächen. Wegen des höheren Drucks an der Flächenunterseite zeigt die resultierende Kraft (der Auftrieb) nach oben. Durch den Unterdruck an der Flügeloberseite stellt sich zusätzlich ein Sogeffekt ein. Im direkten Vergleich ist dieser Sog stärker als der ihm auf der Unterseite gegenüberstehende Druck. So betrachtet, wird ein Flugzeug nicht in die Luft gedrückt, sondern gesogen. Das Flugzeug wird zu 2/3 nach oben gesogen, aber nur zu 1/3 nach oben gedrückt.