Flugzeuge fliegen dank einer Kombination physikalischer Prinzipien, die auf sie einwirken und es ihnen ermöglichen, die notwendige Kraft zu erzeugen, um in der Luft zu bleiben und sich fortzubewegen.
Die wichtigsten sind Aerodynamik, Auftrieb, Antrieb und Flugsteuerung. Diese Konzepte werden im Folgenden im Detail erläutert, ebenso wie die Geschichte und Entwicklung der Luftfahrt bis hin zum modernen Flugzeug.
Physikalische Grundlagen des Fliegens
1. Unterstützung
Der Auftrieb ist der Schlüssel zum Fliegen eines Flugzeugs und wird hauptsächlich durch die Flügel erzeugt.
Um zu verstehen, wie es dazu kommt, muss man einige grundlegende Prinzipien der Aerodynamik kennen, etwa das Bernoulli-Prinzip und das dritte Newtonsche Gesetz.
Bernoullis Prinzip
Dieses Prinzip besagt, dass der Druck einer Flüssigkeit umso geringer ist, je höher ihre Geschwindigkeit ist.
Bei einem Flugzeug ist die „Flüssigkeit“ Luft. Die Flügel eines Flugzeugs haben eine besondere Form, das sogenannte Tragflächenprofil, das oben gewölbt und unten flacher ist. Während sich das Flugzeug vorwärts bewegt, strömt Luft über und unter den Flügeln. Aufgrund der Form des Flügelprofils muss die Luft, die über die Oberseite des Flügels strömt, in der gleichen Zeit eine größere Strecke zurücklegen als die Luft, die über die Unterseite strömt, wodurch sich die Luft über der Oberseite schneller bewegt.
Nach dem Bernoulli-Prinzip ist bei schnellerer Bewegung der Druck auf der Oberseite des Flügels geringer als auf der Unterseite. Dieser Druckunterschied erzeugt eine Aufwärtskraft, den sogenannten Auftrieb, der das Flugzeug anhebt.
Newtons Gesetz
Neben dem Bernoulli-Prinzip spielt auch das dritte Newtonsche Gesetz, das besagt, dass „auf jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion folgt“, eine wichtige Rolle bei der Erzeugung des Auftriebs.
Der beim Überqueren der Tragfläche nach unten abgelenkte Luftstrom erzeugt eine nach oben gerichtete Reaktionskraft, die ebenfalls zum Auftrieb des Flugzeugs beiträgt.
2. Antrieb
Die nächste Schlüsselkomponente beim Fliegen ist der Antrieb, also die Kraft, die das Flugzeug vorwärts treibt. Diese Kraft wird durch die Triebwerke des Flugzeugs erzeugt. Dabei kann es sich um Düsentriebwerke (bei den meisten Verkehrsflugzeugen) oder Propellertriebwerke (bei kleineren oder älteren Flugzeugen) handeln.
Durch den Antrieb kann das Flugzeug eine ausreichende Geschwindigkeit aufrechterhalten, damit die Flügel Auftrieb erzeugen.
Bei Strahltriebwerken funktionieren sie, indem sie Gase mit hoher Geschwindigkeit nach hinten ausstoßen.
Gemäß Newtons drittem Gesetz ist die Reaktion auf diesen Auswurf eine Kraft, die das Flugzeug nach vorne schiebt. Propeller drehen sich schnell und drücken die Luft nach hinten, wodurch eine Vorwärtskraft entsteht, die das Flugzeug vorwärts bewegt.
3. Widerstand und Gewicht
Damit ein Flugzeug fliegen kann, müssen zwei weitere Kräfte ausgeglichen werden: Luftwiderstand und Gewicht.
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Luftwiderstand: Dies ist die Kraft, die der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft entgegenwirkt. Es entsteht durch die Reibung des Flugzeugs mit den Luftmolekülen, wodurch Reibung entsteht, die das Flugzeug tendenziell verlangsamt. Flugzeugkonstrukteure arbeiten daran, den Luftwiderstand zu verringern, indem sie den Flugzeugen glatte, stromlinienförmige Formen geben.
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Gewicht: Dem Gewicht des Flugzeugs, also der nach unten gerichteten Kraft aufgrund der Schwerkraft, muss die Auftriebskraft entgegenwirken, damit das Flugzeug nicht abstürzt. Damit das Flugzeug abheben kann, muss der Auftrieb größer sein als das Gewicht, und damit es einen stabilen Flug aufrechterhalten kann, muss er gleich dem Gewicht sein.
4. Flugsteuerung
Um die Richtung und Stabilität des Flugzeugs in der Luft zu steuern, werden unterschiedliche Steuerflächen verwendet, die sich hauptsächlich an den Flügeln und am Heck des Flugzeugs befinden. Diese Oberflächen sind:
- Querruder: Sie befinden sich an den Tragflächen und ermöglichen es dem Flugzeug, sich um seine Längsachse zu drehen und sich dabei zu einer Seite oder zur anderen zu neigen (dies wird als „Rollen“ bezeichnet).
- Seitenruder: Es befindet sich im vertikalen Teil des Hecks und steuert die Drehung des Flugzeugs um seine vertikale Achse (eine Bewegung, die als „Gieren“ bezeichnet wird).
- Höhenruder: Sie befinden sich im horizontalen Teil des Hecks und steuern die Neigung des Flugzeugs um seine Querachse, d. h. sie sorgen dafür, dass das Flugzeug nach oben oder unten geht (eine Bewegung, die als „Pitching“ bezeichnet wird).
5. Geschwindigkeit und Höhe
Damit ein Auftrieb entsteht, ist die Geschwindigkeit des Flugzeuges ausschlaggebend. Bei niedriger Geschwindigkeit reicht die Luftmenge, die über die Flügel strömt, nicht aus, um den nötigen Auftrieb zu erzeugen, und das Flugzeug kann an Höhe verlieren oder sogar in einen Strömungsabriss geraten (wenn sich der Luftstrom über den Flügeln von der Oberfläche löst und die Flügel keinen Auftrieb mehr erzeugen).
Aus diesem Grund müssen Flugzeuge eine Mindestgeschwindigkeit erreichen, um abzuheben und in der Luft zu bleiben. Sobald sie in der Luft sind, müssen sie je nach Flughöhe und Flugbedingungen eine angemessene Geschwindigkeit beibehalten.
Was die Flughöhe betrifft, so verringert sich beim Steigen des Flugzeugs die Luftdichte, was sich sowohl auf den Auftrieb als auch auf die Triebwerkseffizienz auswirken kann. Flugzeuge sind für das Fliegen in Höhen mit geringerer Luftdichte ausgelegt. Dadurch verringert sich der Luftwiderstand, und ein effizienterer Flug ist möglich. Allerdings müssen Piloten die atmosphärischen Bedingungen berücksichtigen und Geschwindigkeit sowie Anstellwinkel (die Neigung der Flügel im Verhältnis zum Luftstrom) anpassen, um einen stabilen Flug aufrechtzuerhalten.
Vergleich mit Helikopterflug
Beim Fliegen von Flugzeugen und Hubschraubern gelten ähnliche aerodynamische Prinzipien. Es gibt jedoch wesentliche Unterschiede in der Art und Weise, wie sie Auftrieb erzeugen und in der Luft gesteuert werden.
Generierung von Support
- Flugzeuge : Sie erzeugen Auftrieb durch ihre festen Flügel. Um fliegen zu können, müssen sie sich vorwärts bewegen, damit Luft über ihre Flügel strömen und einen Druckunterschied erzeugen kann, der sie in der Luft hält.
- Hubschrauber : Sie erzeugen den Auftrieb durch ihre Rotoren , die als rotierende Flügel fungieren. Der Hauptrotor des Hubschraubers dreht sich schnell und bewegt die Luft nach unten, wodurch eine nach oben gerichtete Reaktionskraft erzeugt wird, die das Abheben und den vertikalen Flug ohne Vorwärtsbewegung ermöglicht.
Antrieb
- Flugzeuge : Verwenden Sie Düsentriebwerke oder Propeller, um die Vorwärtsschubkraft zu erzeugen, die erforderlich ist, damit Luft über die Flügel strömt und Auftrieb erzeugt.
- Hubschrauber : Sie müssen sich nicht vorwärts bewegen, um zu fliegen. Der Hauptrotor sorgt nicht nur für den Auftrieb, sondern auch für den Schub, wodurch sich der Helikopter in jede beliebige Richtung (vorwärts, rückwärts und seitwärts) bewegen kann.
Kontrolle
- Flugzeuge : Verwenden Sie Querruder, Seitenruder und Höhenruder, um den Flug zu steuern. Mit diesen können Sie sich drehen und nach oben oder unten fahren, sie müssen sich jedoch immer vorwärts bewegen.
- Hubschrauber : Sie steuern den Flug durch Einstellen des Winkels der Rotoren (zyklisch und kollektiv) und durch die Verwendung des Heckrotors zum Kontrollieren der Gierung, wodurch sie senkrecht starten und landen sowie schweben können.
Vergleich mit dem Flug eines Heißluftballons
Der Flug eines Flugzeugs und der eines Heißluftballons basieren auf völlig unterschiedlichen Prinzipien hinsichtlich der Erzeugung von Auftrieb, Antrieb und Steuerung.
Generierung von Support
- Flugzeuge : Sie erzeugen Auftrieb durch ihre festen Flügel. Damit das Flugzeug fliegen kann, muss es sich vorwärts bewegen, damit Luft über die Flügel strömen und einen Druckunterschied erzeugen kann, der es in der Luft hält.
- Heißluftballons : Sie erzeugen keinen Auftrieb durch Bewegung oder Flügel. Stattdessen funktionieren sie nach dem Auftriebsprinzip oder dem Archimedes-Prinzip , das besagt, dass auf einen in eine Flüssigkeit (in diesem Fall Luft) eingetauchten Gegenstand eine Aufwärtskraft ausgeübt wird, die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht. Die warme Luft im Ballon hat eine geringere Dichte als die kalte Luft um ihn herum, wodurch der Ballon nach oben schwebt.
Antrieb
- Flugzeuge : Sie verwenden Triebwerke (Düsen- oder Propellertriebwerke) zur Erzeugung von Vorwärtsschub, der es ihnen ermöglicht, sich vorwärts zu bewegen und den zum Fliegen notwendigen Auftrieb zu erzeugen.
- Heißluftballons : Sie verfügen nicht über ein aktives Antriebssystem. Der Ballon schwebt einfach mit der Luftströmung und kann sich nicht absichtlich in eine bestimmte Richtung bewegen. Es bewegt sich nur nach oben oder unten, indem die Luft in seinem Inneren erwärmt oder abgekühlt wird.
Kontrolle
- Flugzeuge : Verwenden Sie Steuerflächen (Querruder, Seitenruder, Höhenruder), um in der Luft zu manövrieren. Piloten haben Kontrolle über Richtung, Höhe und Geschwindigkeit.
- Heißluftballons : Die Kontrolle ist viel eingeschränkter. Die Piloten können durch Regulierung der Wärmemenge im Ballon nur die Höhe steuern; die Richtung hängt jedoch von den Windströmungen ab, da der Ballon keine direkte Kontrolle über seine horizontale Verschiebung hat.
Entwicklung der menschlichen Luftfahrt
Die Pioniere der Luftfahrt
Die Idee des Fliegens fasziniert die Menschheit seit der Antike. Der erste kontrollierte, dauerhafte Flug gelang jedoch erst im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert.
Dieser Meilenstein wurde am 17. Dezember 1903 von den Gebrüdern Orville und Wilbur Wright mit ihrem Flugzeug Flyer I erreicht. Dieses Flugzeug war mit Starrflügeln und einem Motor ausgestattet und sein Erfolg war das Ergebnis jahrelanger Forschung in den Bereichen Aerodynamik, Flugsteuerung und leichte Motoren.
Entwicklung von Verkehrsflugzeugen
Mit dem technologischen Fortschritt wurden größere und effizientere Flugzeuge entwickelt. Während des Ersten und Zweiten Weltkriegs führte die Militärluftfahrt zu vielen Fortschritten im Flugzeugbau, die später auch auf die kommerzielle Luftfahrt übertragen wurden.
Flugzeuge wurden allmählich für den Transport von Passagieren und Fracht eingesetzt und die zivile Luftfahrt verzeichnete im 20. Jahrhundert ein exponentielles Wachstum.
Einer der wichtigsten Meilensteine der kommerziellen Luftfahrt war die Entwicklung der Boeing 707 in den 1950er Jahren, eines der ersten kommerziellen Düsenflugzeuge. Dieses Flugzeug revolutionierte den Luftverkehr, indem es schnellere Flüge und längere Strecken ermöglichte und markierte den Beginn des Jet-Zeitalters.
Moderne Flugzeuge
Heutzutage sind Flugzeuge hochentwickelte Maschinen mit hochmodernen Navigations-, Steuerungs- und Sicherheitssystemen. Moderne Verkehrsflugzeuge wie der Boeing 787 Dreamliner oder der Airbus A350 sind auf einen äußerst geringen Treibstoffverbrauch und eine Reduzierung der CO2-Emissionen ausgelegt.
Darüber hinaus ermöglichen Verbesserungen bei Verbundwerkstoffen und der Aerodynamik leichtere Flugzeuge, was zu einer Gewichtsreduzierung und damit zu einem geringeren Treibstoffverbrauch führt.
Durch die Einführung von Technologien wie hocheffizienten Motoren und der Verwendung von leichten Verbundwerkstoffen sind moderne Flugzeuge leiser und sparsamer geworden.
Auch bei der Flugsteuerung spielt die Automatisierung eine Schlüsselrolle: Autopilotsysteme ermöglichen es Flugzeugen, vorgegebene Routen mit minimalem menschlichen Eingriff abzufliegen.