Warum können Flugzeuge fliegen?

Jeder Flug lässt sich mit vier Kräften erklären. Das Gewicht zieht das Flugzeug zum Erdmittelpunkt. Der Auftrieb, fast ausschließlich von den Tragflächen erzeugt, wirkt nach oben. Der Schub des Triebwerks treibt es nach vorne. Der Luftwiderstand wirkt dieser Vorwärtsbewegung entgegen. Wenn Auftrieb und Gewicht sowie Schub und Widerstand im Gleichgewicht sind, fliegt das Flugzeug geradeaus und horizontal mit konstanter Geschwindigkeit; jedes Ungleichgewicht lässt es steigen, sinken, beschleunigen oder abbremsen. Die Kunst der Konstruktion und des Fliegens besteht darin, diese Kräfte präzise zu beherrschen.

Die Tragfläche ist ein gewölbtes Profil, das die Luft in einem leichten Winkel trifft, dem Anstellwinkel. Bei der Vorwärtsbewegung zwingt sie die Luftströmung, sich zu krümmen und an der Hinterkante nach unten abzuströmen. Nach Newtons drittem Gesetz gilt: Drückt die Tragfläche die Luft nach unten, drückt die Luft die Tragfläche nach oben. Diese Ablenkung zeigt sich als Druckunterschied: Die Luft über der Oberseite beschleunigt und ihr Druck sinkt, während auf der Unterseite der Druck höher ist. Die populäre Erklärung, die Luft oben müsse „gleichzeitig ankommen“ wie die Luft unten, ist falsch, auch wenn der daraus entstehende Druckunterschied real ist. Der Auftrieb wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, mit der Luftdichte, mit der Flügelfläche und mit dem Anstellwinkel bis zu einer Grenze: Ist dieser Winkel zu groß, löst sich die Strömung ab, der Auftrieb bricht plötzlich zusammen, und das Flugzeug überzieht.

Ohne Geschwindigkeit gibt es keinen Auftrieb, und der Luftwiderstand arbeitet ständig daran, sie zu nehmen. Der Schub von Propellern oder Turbinen gleicht diesen Widerstand aus. Bei einem Turbofan beschleunigt ein großer Fan eine enorme Luftmasse nach hinten; bei einem Kolbenmotor macht der Propeller dasselbe mit weniger Luftstrom. Ein Segelflugzeug kommt ohne Triebwerk aus und gewinnt seine Geschwindigkeit durch sanftes Sinken, indem es Höhe gegen Geschwindigkeit tauscht, genau wie ein Radfahrer bergab.

Wird die Nase angehoben, steigt der Anstellwinkel und damit der Auftrieb; wird Leistung hinzugefügt, beschleunigt das Flugzeug und steigt. Piloten kombinieren Fluglage und Leistung, um die Höhe zu ändern, ohne Geschwindigkeit zu verlieren. Ein Verkehrsflugzeug, das mit ausgefahrenen Landeklappen bei rund 280 km/h startet, braucht diese Konfiguration, weil eine saubere Tragfläche bei niedriger Geschwindigkeit das Gewicht nicht tragen würde; im Reiseflug, bei 850 km/h mit eingefahrener Tragfläche, erzeugt dieselbe Fläche bei einem Anstellwinkel von nur wenigen Grad reichlich Auftrieb.