Whither does Physics go?

Jan Peter Apel

Wie fliegt ein Flugzeug?

Für jedes Objekt, das fliegen kann, gilt das Grundprinzip des Fliegens: Luftmasse nach unten beschleunigen, um deren Rückstoßkraft als Auftriebskraft zu erhalten. Nachfolgend wird aufgezeigt, wie das ein Flugzeug macht. (Im nächsten Kapitel folgt, wie es die Hummel macht.)

Nur von oben mit Übersicht sind Naturvorgänge richtig zu durchschauen. Also ist auch der richtige Standort, die richtige Sicht, das richtige Koordinatensystem, einzunehmen. Das Koordinatensystem eines Naturphänomens darf deshalb nicht nach Belieben oder Zweckmäßigkeit ausgesucht werden, sondern muß gefunden werden!

Ein Flugzeug kann nur fliegen, wenn es sich gegenüber der Luft bewegt. Egal, ob die Luft steht oder sich als Gegen-, Rücken- oder Seitenwind über dem Erdboden verschiebt. Wird ein Flugzeug gegenüber der Luft zu langsam, fällt es runter. Damit stellt die Luft das natürliche und einzig richtige Koordinatensystem des Fliegens.
Die Luft tut nichts! Wenn ein Luftstrahl etwas mit sich nach oben nimmt, dann ist das kein Fliegen, sondern ein Fallen im Luftstrahl, bei dem die Fallgeschwindigkeit nach unten nur kleiner als die Luftstrahlgeschwindigkeit nach oben ist. Ein Segelflugzeug fällt in einem aufsteigenden Thermikluft"strahl" nicht, sondern fliegt in ihm. Zu diesem Fliegen benötigt es die unerläßliche Energie, um sich horizontal gegenüber der Luft vorwärts zu bewegen, um dadurch Auftrieb zu erzeugen. Es entnimmt diese Energie aus seiner Höhe mittels des Hangabtriebs seiner gegenüber der Luft immer leicht nach unten geneigten Flugbahn. Steigt die Thermikluft schneller nach oben, als es in ihr nach unten fliegt, so gewinnt es Höhe.

Wie erzeugt ein Flugzeug die Auftriebskraft? Dazu ist in jedem Fall ein Energieeinsatz nötig. Luftmasse muß ja nach unten beschleunigt, d. h. nach unten angeschoben, werden. Die dazu aufzuwendende Energie steckt danach in dieser nach unten in Bewegung versetzten Luftmasse drin. Das ist dann die Wirbelschleppe, die dadurch absinkt!

Das für Flugzeuge mit starren Flügeln bestehende spezifische Prinzip für das abwärts beschleunigen von Luftmasse ist das Funktionsprinzip der schiefen Ebene. Die Flügel sind immer etwas nach vorn oben angestellt, so daß sich bei einer Vorwärtsbewegung die Oberflächen der Flügelflächen nach unten absenken. Das gilt im Normalflug wie im Rückenflug!
Die Wirkung der Flügel als schiefe Ebene ist in folgender Animation zu sehen. Dargestellt sind stellvertretend für alle zwei Luftteilchen, wie sie von einem Flügel in einfachster Form durch dessen Vorwärtsbewegung und der mechanischen Wirkung der schiefen Ebene nach unten beschleunigt werden. Profilierungen der Dicke der Flügel haben für die Technik und Ökonomie des Fliegens Bedeutung, nicht aber für das Fliegenkönnen an sich.
Die dargestellten Bewegungen der Luftteilchen sind ihre Bewegungen gegenüber der umgebenden Luft, also nicht die relativen, die aus dem Flugzeug- bzw. durch das Windkanalfenster zu beobachten sind. Nur diese gegenüber der umgebenden Luft erzeugten Bewegungsänderungen von Luftmasse sind für das Fliegen wirksam.

Ein Flugzeugflügel bewegt Luft unter und über dem Tragflügel nach unten. Vergleichsweise stößt ein Wasserski nur mit der Unterseite Wasser nach unten, was durch die höhere Dichte des Wassers aber schon ausreicht, um den Auftrieb im Wasser zu erhalten, den der Sportler zum Obenbleiben benötigt.
Die Luft unter einem Flugzeugflügel wird direkt von ihm nach unten gestoßen, die obere Luft wird dadurch von oben herab gerissen, weil die horizontale Bewegung der schiefen Ebene einen luftleeren Raum über der nach hinten abfallenden Oberfläche des Flügels entstehen läßt, der aber sofort durch die von oben da hinein nachströmende Luft aufgefüllt wird. Das Luft runter Drücken gebärt natürlich einen Überdruck unter dem Flügel. Das herab Reißen von oben einen Unterdruck über dem Flügel. Die Ausdrücke "stoßen" und "reißen" sind deshalb notwendig, weil das jeweils in nur Millisekunden erfolgt! Diese Zeit ist die, die ein Flügel durch die erforderliche Vorwärtsbewegung nur hat, um an jeder Stelle in der Luft diese nach unten zu stoßen. Luftteilchen empfinden ihre Beschleunigung durch einen Flugzeugflügel nach unten wie einen Schlag.

Der rot gekennzeichnete Teil der Schlenkerbewegung, die das obere Luftteilchen vollführt, ist eine absolute Bewegung von Luft nach hinten, das heißt gegenüber dem Koordinatensystem des Fliegens, der umgebenden Luft, die den Fahrtwind an der Flügeloberseite erhöht (ca. 10 %). Diese Bewegung entsteht dadurch, daß von der von der Flügelunterseite nach unten gedrückten Luft etwas vor dem Flügel nach oben quillt und oberhalb des Flügels nach hinten abströmt. In dieser nur 10%igen tatsächlichen Strömung innerhalb des nur Fahrtwindes entsteht örtlich auch ein bernoulliischer Unterdruck, der sich zu dem aus dem Runterziehen der oberen Luft zuvor schon gebildeten Unterdrucks addiert. Im hinteren Flügelbereich ergibt sich durch die Diffusorwirkung aber ein Überdruck, der dazu führt, daß an der Flügelhinterkante der Unterduck ganz weg ist. Die örtlichen bernoulliischen Druckänderungen addieren sich rund um ein Tragflügelprofil zu null, so daß daraus kein Auftrieb entsteht! Im Überschallflug kann keine Luft mehr vor dem Flügel hochquellen. Der Wegfall des bernoulliischen Unterdruckes hat dann auch keine Verringerung der Auftriebskraft zur Folge, was beweist, daß er zuvor auch keine Auftriebskrafterhöhung produzierte. Die bernoulliischen Druckeinflüsse sind nur eine Folge der Auftriebskraftentstehung nach dem mechanischen Prinzip der schiefen Ebene. Eine Folgeerscheinung kann aber keine Einflüsse auf das sie erst erzeugende Geschehen nehmen.

Die nachfolgende Animation zeigt, wie innerhalb der umgebenden unbeeinflußten Luft die vom Flügel abwärts in Bewegung versetzte Luft nach unten strömt. Die Striche an den einzelnen Punkten sind Windfahnen, deren Richtungen die Luftströmungsrichtung und deren Länge die Geschwindigkeiten der Luft an diesen Punkten anzeigen. Der Bereich so in Abwärtsbewegung versetzter Luft reicht nach oben wie unten mindestens bis in eine Entfernung, die der Spannweite eines Flugzeuges entspricht. Das ist eindrucksvoll zu sehen im Kapitel "Fliegen im Flachwasserbett".

Für das Fliegen gilt auch beim Flugzeug: das Flugzeug bewegt sich gegenüber der Luft und nicht umgekehrt! Daß Insassen eines Flugzeuges die Luft vorbei "strömen" sehen, ist eine Täuschung aus relativer Sicht, der Mitbewegung des Beobachters mit dem Flugzeug.

Damit ist die Erklärung des "Warum fliegt ein Flugzeug?" fertig: durch abwärts "schleudern" von Luft. Diesen Ausdruck benutzte der "Vater der Aeordynamik", Ludwig Prandtl. Trotzdem machte er später auch den Fehler, relative Sichten mit zu verwenden.

Daß die Erklärung des Fliegens eines Flugzeuges so einfach ist, wo doch die Lehrerklärungen an Kompliziertheit gar nicht zu übertreffen sind, ist kein Zufall, sondern ein MUß! Der Nobelpreisträger Paul Dirac stellte schon fest (sinngemäß): "Eine physikalische Theorie ist entweder kurz, oder falsch" und Johann Wolfgang von Goethe: "Alles ist einfacher, als man denken kann, zugleich verschränkter, als zu begreifen ist". In der Natur ist es immer so, daß die Erscheinungen (Symptome) ihrer Vorgänge verwirrend sind, obwohl die zu Grunde liegenden Ursachen ganz einfach sind. Deswegen ist es auch so schwierig, die Natur zu verstehen. Wobei oft hinzu kommt, daß wir relativ, also falsch, sehen, wie es gerade auch beim Fliegen der Fall ist. Warum tun wir das? Weil wir am liebsten immer uns selbst als das richtige Koordinatensystem ansehen. Anderthalb Jahrtausende verbrachten wir damit, daß die Sonne uns umkreise, wo doch wir mit der Erdoberfläche Karussell fahren. Nun verbringen wir aber auch schon über 100 Jahre damit, daß die Luft an unserem Flugzeug nach hinten ströme und nicht wir uns mit einem Flugzeug in der Luft vorwärts bewegen.

Fliegen ist ein rein mechanischer Vorgang, bei dem mittels Energieeinsatzes Luft nach unten beschleunigt wird. Damit gelten nicht die Gesetze der Aerodynamik, sondern die der Aerokinetik. Das Wesen der Aerodynamik nach Bernoulli besteht gerade darin, daß keine Energieflüsse vorliegen dürfen. Ohne Energiefluß vom Flugobjekt zur Luft kann aber kein Objekt fliegen. Ein Segelflugzeug nimmt die erforderliche Energie aus seiner Höhe, auf die es zuvor durch Energieeinsatz gehoben wurde, ein Motorflugzeug hat dafür seinen Motor. In beiden Fällen wird die Energie dafür benötigt, um das Flugzeug horizontal durch die Luft zu bewegen. Dafür müssen die Widerstände aus Reibung und Verdrängung von Luft und dem "Widerstandsanteil" überwunden werden, der sich aus dem Funktionismus der Flügel als schiefe Ebene ergeben.
Die sich aus dieser richtigen Physik des Fliegens ergebende und von jederman nachvollziehbare Formel für die Auftriebskraft siehe im Kapitel "Aerokinetische Grundformel".

Für das Fliegen gibt es neben der Bernoullitheorie noch zwei andere populäre Erklärungen, die auch in der Pilotenausbildung verwendet werden. Alle drei sind falsch, was auch von der NASA so bewertet wird, siehe bei www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong1.html und folgende.