Warum fliegt ein Flugzeug?

"What goes up, must come down"

- der weise Titel dieses alten Songs ist ehernes Gesetz nicht nur für  die Aktienkurse (hier allerdings eher selten beachtet), sondern auch für Flugkörper jeglicher Art: Was in die Luft steigt, wird unvermeidlich, den Gesetzen der Schwerkraft gehorchend, wieder zur Erde zurückkehren müssen. Ein in die Luft geworfener Stein ist in Sekundenschnelle wieder am Boden, ein gestartetes Flugzeug ... idealerweise nicht! Diese Erkenntnis ist für Passagiere und angehende Piloten ebenso beruhigend wie sicherlich erklärungsbedürftig.

Lassen wir für's Erste einmal die Frage ungeklärt, wie das Flugzeug nach oben kommt (dazu später mehr), sondern beschäftigen uns damit, warum es, einmal dort oben angekommen, nicht senkrecht wieder nach unten fällt, sondern durch die Luft gleitet (also: eine möglichst lange horizontale Strecke bei möglichst geringem Höhenverlust zurücklegt). Verantwortlich hierfür ist die

Aerodynamische Form des Flugzeugs,

insbesondere der Tragflächen. Diese haben ein Profil, das vereinfacht gesagt an die Form eines auf die Seite gelegten und dann von links nach rechts nahezu glatt durchgeschnittenen Wassertropfens erinnert. Die Oberseite ist stärker gewölbt, die Unterseite eher gerade. Trifft nun der Luftstrom von vorne auf die Tragfläche, so wird dieser an der Vorderkante geteilt. Durch die Wölbung der oberen Fläche wird der dort entlangströmende Teil der Luft stärker abgelenkt als der unten an der geraden Seite entlangströmende. Der obere Luftstrom macht also, vereinfacht und anschaulich gesagt,  einen größeren Umweg und muss eine weitere Strecke in einer größeren Geschwindigkeit zurücklegen, um am Ende der Tragfläche zur gleichenZeit wieder mit der unteren Strömungshälfte zusammenzutreffen. Hierdurch entsteht (das jetzt bitte einfach glauben, eine ausführliche Erklärung des Bernoullischen Gesetzes würde den Rahmen dieses Textes sprengen) an der Oberseite der Tragfläche ein geringerer Luftdruck als an der Unterseite. Und somit, da die Natur stets um einen Ausgleich der Verhältnisse bemüht ist, ein Sog nach oben. Diesen Sog nennt man

Auftrieb

und genau dieser Effekt ist es, der der Schwerkraft entgegenwirkt und dafür sorgt, dass das Flugzeug nicht (oder nur wenig) sinkt, also: fliegt. Ein simples Experiment veranschaulicht dies deutlich: Einfach mal beim Autofahren das Fenster öffnen und den Arm aus dem Fenster strecken (die andere Hand bleibt bitte am Steuer ;-). Die Hand flach in den Wind stellen: Handrücken nach oben, Innenfläche nach unten. Bei einer bestimmten Geschwindigkeit wird der Arm von der Luft getragen, man benötigt keine Muskelkraft, um den Arm gestreckt zu halten. Wenn das Fahrzeug nun auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt wird, will der Arm nach oben steigen, wird das Fahrzeug langsamer, fällt der Arm langsam nach unten. Das gleiche geschieht, wenn bei konstanter Geschwindigkeit der sog. Anstellwinkel geändert wird. Dreht man die Hand langsam so, dass die Handinnenfläche dem Fahrtwind zugewandt wird, will der Arm steigen. Wird die Hand in die andere Richtung gedreht, will er sinken. Nach erfolgreichem (und hoffentlich unfallfreiem) Abschluss dieses Experiments ist klar: Die Stärke des Auftriebs ist von zwei Faktoren abhängig: Von der Wölbung (bzw. dem Anstellwinkel) der Fläche und von der Geschwindigkeit, mit der das Tragflächenprofil von vorne angeströmt wird. Ein Flugzeug braucht also

Geschwindigkeit,

um Auftrieb zu erhalten. Desto schneller das Flugzeug fliegt (desto stärker also die Tragfläche vom Fahrtwind angeströmt wird), desto stärker der Auftrieb und umgekehrt. Und wie wird ein Flugzeug schneller? Wir lassen hier zunächst einmal einen evtl. vorhandenen Motor außer Acht und betrachten das antrieblose Fliegen. Die Geschwindigkeit steigt, wenn das Flugzeug in den Sinkflug geht (die Schwerkraft also immer mehr die Flugrichtung unterstützt), sie fällt, wenn das Flugzeug steigt (die Schwerkraft der Flugrichtung immer stärker entgegenwirkt). Wieder der Vergleich zum Auto im Leerlauf, oder besser noch, zu einer Seifenkiste: Bergab wird die Geschwindigkeit zunehmen, bergauf abnehmen. Das Flugzeug muss also zunächst einmal sinken, um Geschwindigkeit aufzunehmen, die erhöhte Geschwindigkeit führt dann zu stärkerem Auftrieb, der dann wiederum dazu führt, dass das Flugzeug steigt bzw. nicht weiter sinkt. Aber auch umgekehrt: Steigt das Flugzeug, verliert es an Geschwindigkeit, der Auftrieb wird geringer und das Flugzeug gerät ins Sinken.

Ein ständiges Wechselspiel der Kräfte

also, dass es beim Fliegen auszugleichen gilt. Für jedes Flugzeug gibt es - abhängig von seinem Gewicht und seiner aerodynamischen Bauform - genau eine Geschwindigkeit, bei der das Sinken geringstmöglich ausfällt. Dies wird in der Fliegersprache "Geschwindigkeit des besten Gleitens" genannt. Mit dieser individuellen Geschwindigkeit erreichen Segelflugzeuge Gleitzahlen von bis zu 60 (heißt: Das Flugzeug fliegt 60 Meter weit und verliert dabei nur einen Meter Höhe), bei Motorflugzeugen ist Form- und Gewichtsbedingt eine Gleitzahl von eher 10 typisch (10 Meter Strecke bei einem Meter Höhenverlust). Aber es sollte nun auch klar sein, das es physikalisch unmöglich ist, ohne "Kraft-Zugabe" von außen dauerhaft ohne Höhenverlust zu fliegen. Und ab dieser Stelle unterscheidet sich das Prinzip des Segelflugs deutlich von dem des Motorflugs.