Warum fliegt ein Flugzeug?

Ein Flugzeug im stabilen Flug unterliegt vier Kräften: Auftrieb, Gewicht, Schub und Widerstand. Das Gewicht zieht es zur Erde. Der Schub von Propellern oder Düsentriebwerken treibt es vorwärts. Der Widerstand, der Luftwiderstand, wirkt entgegen. Der Auftrieb, hauptsächlich von den Flügeln erzeugt, wirkt nach oben und hält das Flugzeug in der Luft. Im geradlinigen, unbeschleunigten Flug entspricht der Auftrieb dem Gewicht und der Schub dem Widerstand, und die ganze Frage, warum ein Flugzeug fliegt, läuft darauf hinaus, wie ein Flügel Auftrieb erzeugt.

Ein Flügel ist so geformt und angestellt, dass die vorbeiströmende Luft nach unten abgelenkt wird. Newtons drittes Gesetz liefert die einfachste Erklärung: Der Flügel drückt eine große Luftmasse nach unten, und die Luft drückt den Flügel mit gleicher Kraft nach oben. Das Druckbild sagt dasselbe mit anderen Worten. Luft, die über die gekrümmte, längere Oberseite und um den angestellten Flügel strömt, wird schneller und ihr Druck sinkt, während die Luft unter dem Flügel gebremst und leicht verdichtet wird. Der Druckunterschied zwischen den beiden Oberflächen, über die Flügelfläche aufsummiert, ergibt den Auftrieb. Bernoullis Prinzip und Newtons Gesetze sind keine konkurrierenden Erklärungen, sondern zwei Sichtweisen auf eine einzige Strömung; die verbreitete Vorstellung, Luft über und unter dem Flügel müsse an der Hinterkante gleichzeitig ankommen, ist falsch, und Windkanalaufnahmen zeigen, dass die Strömung oben deutlich früher ankommt.

Zwei Variablen sind entscheidend. Die erste ist die Fluggeschwindigkeit: Der Auftrieb wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, weshalb ein Verkehrsflugzeug etwa 250 bis 300 km/h (135–160 kn) benötigt, bevor es von der Startbahn abheben kann, und weshalb es im Reiseflug mit weit weniger Leistung fliegen kann als beim Start. Die zweite ist der Anstellwinkel, der Winkel zwischen der Flügelsehne und der anströmenden Luft. Das Anheben der Nase erhöht die Ablenkung der Luft und den Auftrieb, bis zu einem gewissen Punkt. Jenseits eines kritischen Winkels, typischerweise 15 bis 20 Grad bei einem konventionellen Flügel, löst sich die Strömung auf der Oberseite ab und der Auftrieb bricht zusammen: Das ist der Strömungsabriss, und ein großer Teil der Grundausbildung eines Piloten dreht sich darum, diesen zu vermeiden.

Ein schräg gestelltes flaches Brett erzeugt Auftrieb, wie jedes Papierflugzeug zeigt, und ein symmetrischer Flügel fliegt auch kopfüber einwandfrei, weshalb Kunstflugzeuge Rückenflug aufrechterhalten können. Gewölbte Profile werden gewählt, weil sie Auftrieb mit weniger Widerstand erzeugen und sanfter in den Strömungsabriss übergehen, nicht weil sie die einzige Möglichkeit zu fliegen wären. Klappen und Vorflügel werden bei niedriger Geschwindigkeit ausgefahren, um Wölbung und Fläche zu vergrößern, weshalb der Flügel eines landenden Verkehrsflugzeugs so anders aussieht als derselbe Flügel im Reiseflug. Triebwerke heben das Flugzeug nicht; sie liefern die Vorwärtsgeschwindigkeit, die die Luft über den Flügel strömen lässt, und ein Segelflugzeug ganz ohne Triebwerk fliegt, indem es Höhe gegen genau diese Luftströmung eintauscht.