Gigantische Maschinen, die teilweise mehrere hundert Tonnen wiegen, scheinen schwerelos durch die Luft zu gleiten und wendige Jets jagen mit tausend Kilometern pro Stunde durch die Atmosphäre: Flugzeuge sind eine faszinierende Erfindung der jüngeren Geschichte und wie viele andere von der Natur inspiriert.
Oben schnell, unten langsam
Wie auch bei den ideengebenden Vögeln liegt der entscheidende Aspekt, um die Schwerkraft zu überwinden, in der Form der Tragflächen – und damit in der Aerodynamik. Der Querschnitt eines Flugzeugflügels zeigt, worauf es ankommt: Die Unterseite ist flach, der obere Teil gewölbt. Durch diese Form muss die Luft, die über die Tragfläche strömt, einen weiteren Weg zurücklegen als die, die unterhalb entlangfließt. Dadurch besitzt die obere Luftschicht eine höhere Geschwindigkeit.
Nach den Überlegungen des Physikers Daniel Bernoulli hängt der Druck eines Fluids, also einer Flüssigkeit oder eines Gases, von dessen Geschwindigkeit ab. Schnellere Fluide besitzen demnach einen geringeren Druck als langsamere. Aufgrund dieser Gesetzmäßigkeit entsteht an der Flugzeugtragfläche ein Druckunterschied. Die schnellere obere Luftschicht zieht durch ihren Unterdruck am Flügel, zusätzlich drückt die Luft auf der Unterseite nach oben.
Eine Frage des Anstellwinkels
Die Druckdifferenz durch die Tragflächenform ist nicht der einzige Faktor, der den Maschinen zum Fliegen verhilft. Wichtig ist auch der Winkel, den die Flügel relativ zur Flugrichtung haben. Die geneigten Tragflächen drücken die anströmende Luft nach unten und erzeugen so eine Gegenkraft, die das Flugzeug weiter anhebt. Dadurch können beispielsweise auch Kunstflugzeuge kopfüber fliegen.
Zwar sorgt ein höherer Anstellwinkel erstmal für mehr Schub nach oben, ab einem gewissen Wert wendet sich aber das Blatt. Wenn das Flugzeug versucht, zu steil zu fliegen, kann es zum Strömungsabriss kommen. Die Auftriebskraft zieht dann nicht mehr an der Tragfläche, weil die Luft über der Wölbung vorbeiströmt, anstatt ihr zu folgen.
Moderne Flugzeuge bekommen einen Strömungsabriss relativ leicht wieder in den Griff, indem sie sich nach vorne neigen und Gas geben. Bei Helikoptern ist das etwas komplizierter. Durch die schnelle Rotation kommt es an den Rotorblättern immer wieder zu kleinen Strömungsabrissen. Diese sind nicht so fatal wie beim Flugzeug, verringern aber die Leistung der Hubschrauber. Um dies in den Griff zu bekommen, haben sich die Ingenieure auch schon mal was bei Buckelwalen abgeschaut.
Auch bei Segelschiffen
Der Bernoulli-Effekt hilft übrigens auch Seglern dabei Ziele zu erreichen, die entgegen der Windrichtung liegen. Zwar können Segelschiffe nicht direkt gegen den Wind fahren, sie können ihn aber kreuzen. Bei dieser Technik wird der Kurs immer abwechselnd schräg rechts und schräg links gegen den Wind gesetzt, wodurch dieser leicht seitlich auf das Schiff drückt.
Zum Druck kommt dann die Auftriebskraft hinzu. Sie entsteht durch die Wölbung des Segels genau wie beim Flugzeugflügel. Durch den richtigen Winkel des Segelmasten wirkt die Gesamtkraft nicht nur seitlich auf das Schiff, sondern drückt es auch nach vorne. Durch die Rumpfform und die Ruder wird der seitliche Teil eliminiert, wodurch das Schiff letztendlich schräg gegen den Wind fährt.
