Warum bleibt ein Flugzeug in der Luft?

Ein Flügel ist so geformt und angestellt, dass die darüber strömende Luft nach unten abgelenkt wird. Um einen Luftstrom umzulenken, ist eine Kraft auf diese Luft nötig, und nach Newtons drittem Gesetz drückt die Luft mit einer gleich großen, entgegengesetzten Kraft auf den Flügel zurück: Diese Reaktion ist der Auftrieb. Von der Druckseite aus betrachtet zeigt sich derselbe Vorgang so, dass die Luft über der gekrümmten Oberseite schneller strömt und darunter langsamer, wodurch oben ein geringerer Druck herrscht als unten. Beide Beschreibungen sind dieselbe Physik, nur aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet; keine ist ohne die andere vollständig. Entscheidend ist, dass der Flügel jede Sekunde eine große Luftmasse nach unten schickt, und das daraus resultierende Druckungleichgewicht reicht, über die gesamte Spannweite aufsummiert, aus, um das Flugzeug zu tragen.

Die Menge des Auftriebs hängt von drei Dingen ab, die ein Pilot unmittelbar spürt: Fluggeschwindigkeit, Anstellwinkel (der Winkel zwischen Flügel und anströmender Luft) und Luftdichte. Eine Verdopplung der Geschwindigkeit vervierfacht den Auftrieb, weshalb ein Verkehrsflugzeug eine lange Startbahn braucht, um die Geschwindigkeit zu erreichen, bei der seine Flügel 300 Tonnen tragen können. Eine Erhöhung des Anstellwinkels steigert den Auftrieb bis zu einem bestimmten Punkt; jenseits eines kritischen Winkels löst sich die Strömung von der Oberseite ab, und der Auftrieb bricht zusammen – der Strömungsabriss. Dünne Luft in großer Höhe oder an heißen Tagen verringert den Auftrieb, sodass Flugzeuge unter solchen Bedingungen schneller fliegen müssen, um das auszugleichen, und bei niedriger Geschwindigkeit werden Landeklappen ausgefahren, um den Flügel zu vergrößern und stärker zu krümmen, wenn nicht genug Geschwindigkeit übrig ist.

Auftrieb allein erklärt keinen anhaltenden Flug. Luft am Flügel entlangzudrücken kostet Energie, denn der Flügel erzeugt neben Auftrieb auch Widerstand, und die Wirbel, die hinter den Flügelspitzen zurückbleiben, stehen für Energie, die an die Luft abgegeben wurde. Die Triebwerke liefern den Schub, der diesen Widerstand überwindet. Im stabilen Horizontalflug entspricht der Auftrieb dem Gewicht und der Schub dem Widerstand: Nichts beschleunigt, und das Flugzeug setzt seinen Weg einfach fort. Ein Segelflugzeug nutzt denselben Tausch, nur mit der Schwerkraft statt mit Triebwerken, und sinkt sanft durch die Luft, um seine Geschwindigkeit zu halten. Statischer Auftrieb spielt bei einem schwerer als Luft fliegenden Gerät keine Rolle; es bleibt nur so lange oben, wie es sich schnell genug bewegt, damit die Luft die Arbeit verrichtet.