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.