Dynamischer Auftrieb einfach erklärt: So fliegen Flugzeuge

Ein voll beladenes Passagierflugzeug wiegt über 400 Tonnen – das ist so schwer wie etwa 80 ausgewachsene Elefanten. Hast du dich jemals gefragt, wie etwas so Schweres überhaupt in der Luft bleiben kann? Genau hier kommen die Grundlagen des dynamischen Auftriebs ins Spiel.

Die Antwort liegt in der unsichtbaren Kraft der Luft. In dieser Lektion werden wir das Geheimnis des Fliegens lüften. Du wirst lernen, warum ein Flugzeug im Gegensatz zu einem Ballon unbedingt Geschwindigkeit braucht und wie die besondere Form der Flügel die Luft so austrickst, dass sie das Flugzeug nach oben zieht.

Vorwissen

• Statischer Auftrieb (Archimedisches Prinzip): Ein Körper schwimmt oder schwebt, wenn er leichter ist als das verdrängte Wasser oder die verdrängte Luft.

  Beispiel: Ein Heißluftballon steigt auf, weil die heiße Luft in ihm eine geringere Dichte hat als die kalte Luft außen.

• Luftdruck und Unterdruck: Luft drückt auf alle Gegenstände. Wenn der Druck an einer Stelle geringer ist als in der Umgebung, spricht man von Unterdruck.

  Beispiel: Beim Trinken mit einem Strohhalm erzeugt man im Mund einen Unterdruck, und der normale Luftdruck drückt das Getränk nach oben.

Aufgabentyp 1: Statischer vs. Dynamischer Auftrieb

Um die Grundlagen des dynamischen Auftriebs zu verstehen, müssen wir ihn zunächst vom statischen Auftrieb abgrenzen. Es gibt zwei völlig unterschiedliche Wege, wie Dinge in der Luft bleiben können.

Beim statischen Auftrieb muss sich das Objekt nicht bewegen. Ein Zeppelin oder ein Heliumballon verdrängt einfach Luft. Weil das Gas im Inneren leichter ist als die verdrängte Luft, schwebt der Ballon von ganz allein.

Flugzeuge oder Vögel sind jedoch viel schwerer als die Luft. Sie nutzen den dynamischen Auftrieb. Das Wort „dynamisch“ bedeutet, dass Bewegung im Spiel ist. Damit diese nach oben gerichtete Kraft entsteht, müssen speziell geformte Tragflächen (Flügel) sehr schnell durch die Luft bewegt werden. Ein Hängegleiter braucht zum Beispiel eine Vorwärtsgeschwindigkeit von etwa $35 \text{ km/h}$, um überhaupt abheben zu können. Ohne diese schnelle Bewegung gibt es keinen Auftrieb und das Fluggerät würde zu Boden fallen.

Aufgabentyp 2: Wie entsteht der dynamische Auftrieb?

Schauen wir uns nun im Detail an, wie genau der dynamische Auftrieb an einer Tragfläche erzeugt wird. Wenn die Luft an einem Flugzeugflügel (Tragfläche) vorbeiströmt, passieren zwei Dinge gleichzeitig, die den Flügel nach oben drücken oder ziehen.

Erstens: Die Unterseite des Flügels ist leicht schräg gegen den Wind gestellt. Die ankommende Luftströmung prallt gegen die Unterseite und wird nach unten abgelenkt. Nach dem Prinzip von Aktion und Reaktion entsteht dadurch eine Gegenkraft: Weil die Luft nach unten gedrückt wird, wird der Flügel als Reaktion nach oben gedrückt.

Zweitens: Die besondere, gewölbte Form der Flügeloberseite zwingt die Luftströmung, eng am Flügel entlangzufließen und dabei nach unten beschleunigt zu werden. Durch diese schnelle Strömung entsteht auf der Oberseite ein starker Unterdruck. Dieser Unterdruck „saugt“ den Flügel quasi nach oben.

Interessanterweise ist dieser Unterdruck auf der Oberseite für den weitaus größten Teil der gesamten Auftriebskraft verantwortlich! Beide Effekte – das Wegdrücken an der Unterseite und das Ansaugen an der Oberseite – werden noch stärker, wenn der Flügel etwas steiler gegen den ankommenden Luftstrom angestellt wird.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Wir machen den Unterdruck sichtbar, der durch schnelle Luftströmung entsteht (Der Papier-Flügel). Materialien: Ein Streifen Papier (ca. $5 \text{ cm}$ breit und $15 \text{ cm}$ lang).

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Festhalten

   Halte das Papier an einem der kurzen Enden mit Daumen und Zeigefinger fest.

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   Schritt 2
   Anlegen

   Lege diese Kante direkt unter deine Unterlippe, sodass das Papier schlaff nach unten hängt.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Pusten

   Puste nun kräftig waagerecht über die Oberseite des Papiers hinweg.

Ergebnis:

Sobald du über das Papier pustest, hebt sich das schlaff hängende Ende nach oben an und flattert in der Waagerechten. Wenn du aufhörst zu pusten, fällt es wieder herunter. Erklärung: Durch das Pusten erzeugst du eine schnelle Luftströmung über dem Papier. Genau wie an der Oberseite eines echten Flügels entsteht dadurch ein Unterdruck. Der normale Luftdruck unter dem Papier ist nun stärker und drückt das Papier als Auftriebskraft nach oben.

Wichtige Erkenntnisse

• Statischer Auftrieb funktioniert ohne Bewegung durch das Verdrängen von Luft (z. B. bei Ballons).
• Dynamischer Auftrieb erfordert eine schnelle Vorwärtsbewegung von speziell geformten Tragflächen (z. B. bei Flugzeugen).
• Die Flügelunterseite lenkt Luft nach unten ab und drückt den Flügel als Reaktion nach oben.
• Die Flügeloberseite beschleunigt die Luft, erzeugt einen Unterdruck und „saugt“ den Flügel nach oben. Dies ist die Hauptursache für den Auftrieb.