Das Geheimnis des Fliegens

Die Computersimulation zeigt, wie die Luft über die Oberseite der Tragfläche strömt. Bild: DLR
Die Computersimulation zeigt, wie die Luft über die Oberseite der Tragfläche strömt. Bild: DLR

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Der Schweizer Daniel Bernoulli (1700–1782) war Arzt, Mathematiker und Physiker und entdeckte das später nach ihm benannte Prinzip.
Der Schweizer Daniel Bernoulli (1700–1782) war Arzt, Mathematiker und Physiker und entdeckte das später nach ihm benannte Prinzip.

Warum fliegen Flugzeuge überhaupt? Das Zauberwort heißt „Auftrieb“ – und ein schlauer Mann namens Daniel Bernoulli entdeckte dieses Prinzip schon vor langer Zeit: Im Jahr 1738 erschien sein Buch mit dem Titel „Hydrodynamica“. Darin geht es um die Strömungsforschung – wenn auch vor allem um die Strömung in Flüssigkeiten. Aber das ist egal, denn Strömungen in der Luft verhalten sich ähnlich. Jedenfalls beschrieb Bernoulli damals zum ersten Mal das Prinzip des Auftriebs, das das Fliegen überhaupt erst möglich macht. Heute spricht man vom Bernoulli-Effekt – und das bedeutet für Flugzeuge: Luft bewegt sich über die gewölbte Oberseite eines Flügels schneller als an der geraden Unterseite. Oben macht sie gewissermaßen einen kleinen Umweg – eben weil der Flügel oben leicht gewölbt ist. Dadurch aber ist der Luftdruck über den Flugzeug-Tragflächen geringer als darunter – und dieser geringere Luftdruck „saugt“ den Flügel und damit das Flugzeug nach oben.

 1.2.1 Bernoulli Effekt
Diese Animation beschreibt das Prinzip des Auftriebs, das Fliegen überhaupt erst möglich macht: den Bernoulli-Effekt. Grafik: DLR

Das Mini-Experiment

Das mit dem Unterdruck, der die Tragfläche ansaugt, kannst du mit einem ganz einfachen Mini-Experiment selbst ausprobieren. Du brauchst dazu nur einen etwa fünf Zentimeter breiten und ungefähr doppelt so langen Papierstreifen – und etwas Puste. Dann hältst du die schmale Seite an die Unterlippe, wobei deine Hand selbst am gegenüberliegenden Ende des Papierstreifens sein sollte. Also: Den Streifen an einer kurzen Seite festhalten, die andere kurze Seite an die Unterlippe. Und jetzt einmal ganz kurz und kräftig darüber pusten! Die schnell strömende Luft aus deinem Mund erzeugt über dem Papier einen Unterdruck, der den Streifen – wie im „echten Leben“ die Tragfläche – nach oben zieht. Nur ganz nebenbei: Streng genommen ist das Experiment nicht ganz vollständig, weil du ja nur über den „Flügel“ pustest und darunter keine Luftströmung erzeugt wird. Aber es zeigt zumindest schon mal teilweise, was da strömungsmäßig passiert.

Alles nochmal ausführlicher ...

Nicht kapiert? Ist auch schwierig. Hier nochmal eine ausführlichere Erklärung – Schritt für Schritt und leichter verständlich … Ein Flugzeug steigt, wenn der Auftrieb größer ist als die Gewichtskraft des Flugzeugs. Ist doch klar: Die Kraft, die den Flieger nach oben bewegt, muss größer als die Gewichtskraft des Fliegers selbst sein. Stell dir das Flugzeug vor, wie es schnell über die Startbahn saust. In diesem Moment – und anschließend während des Fluges – spielen sich mehrere Dinge ab, die wir hier ganz stark vereinfacht darstellen:

Erstens: Die Flügel bewegen sich schnell durch die Luft – immer schneller. Dabei strömt ein Teil der Luft oberhalb des Flügels, ein anderer Teil unterhalb des Flügels entlang. Der Flügel „zerschneidet“ die Luft wie ein Messer die Butter. Jetzt aufpassen: Die Tragflächen von Flugzeugen sind ja immer auf der Oberseite etwas gewölbt. Das bewirkt, dass die Luft dort etwas schneller strömt. Dadurch entsteht ein Unterdruck, also ein Sog nach oben: Denn immer wenn Teilchen schneller strömen bzw. fließen, nimmt der Druck ab. Genau das hat Bernoulli erkannt – und nach ihm heißt dieses Prinzip auch das Gesetz von Bernoulli. Auf der Unterseite ist der Flügel anders geformt, nämlich weitgehend flach und nicht nach außen gewölbt. Da fließen die Luftteilchen langsamer als oben am Flügel vorbei, sodass unter der Tragfläche ein Überdruck entsteht.

Diese Skizze zeigt die Luftströmung um einen Flügel von der Seite betrachtet.
Diese Skizze zeigt die Luftströmung um einen Flügel von der Seite betrachtet.

Zweitens: Jetzt kommt noch ein ganz anderer Effekt hinzu. Da die Tragfläche leicht schräg in der Luftströmung steht, werden die Luftteilchen nach unten abgelenkt, während der Flügel gleichzeitig nach oben gedrückt wird. Die Luftteilchen treffen quasi auf den Flügel und schieben ihn nach oben. Dieses Prinzip, bei dem die Luftteilchen durch die Umlenkung einen Impuls auf den Flügel übertragen, nennt man „actio gleich reactio“. Nebenbei: Nur durch diesen Effekt allein können Papierflieger durch die Luft gleiten, ohne dass ihre Flügel oben gewölbt sind.

Stopp, jetzt nicht wegklicken! Wir sind noch nicht fertig! Denn wir haben noch gar nicht erklärt, warum die Luftteilchen auf der Oberseite des Flügels schneller als auf der Unterseite sind? Warum erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, wenn die Oberfläche gewölbt ist? Dafür ist ein weiterer Effekt verantwortlich: Beim Start bildet sich an der Hinterkante des Flügels ein Wirbel. Man nennt ihn Anfahrwirbel.

Durch den Anfahrwirbel bildet sich eine Umströmung des Flügels - Auftrieb entsteht.
Durch den Anfahrwirbel bildet sich eine Umströmung des Flügels - Auftrieb entsteht.

Nun könnte man sagen: Ist doch egal, was da hinter dem Flügel passiert. Stimmt aber nicht. Denn jeder Wirbel – das ist ein physikalisches Gesetz – löst immer einen entgegengesetzten zweiten Wirbel aus. Und der Wirbel, der vom Anfahrwirbel ausgelöst wird, führt um den gesamten Flügel herum: unterhalb des Flügels nach vorne, also entgegen der Flugrichtung, und oberhalb des Flügels wieder zurück zur Hinterkante. Das darf man sich nicht so vorstellen, als ob da Luftteilchen unter dem Flügel nach vorne wandern. Denn das Flugzeug fliegt ja sehr schnell durch die Luft, sodass alle Luftteilchen – egal ob über oder unter dem Flügel – nach hinten strömen. Aber der Wirbel, der um den Flügel herumführt, verlangsamt immerhin die Strömung unter dem Flügel und beschleunigt sie darüber. So setzt der Anfahrwirbel die ganze Sache mit der schnellen Strömung oberhalb und mit der langsamen Strömung unterhalb des Flügels in Gang.

So, jetzt dürft ihr euch ausruhen – war nämlich wirklich kompliziert ;-)