Frage von GXleif, 134

Wie fliegt eigentlich ein Flugzeug?

Wie kann es sein, dass ein Flugzeug abhebt? Hat das was mit dem Bernouli-Effekt zu tun?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von BurgN, 24

Hallo,

es gibt zwei Meinungen die mir zu Ohren oder Augen gekommen sind.

Die eine die in Lehrbüchern für Piloten veröffentlicht wird: Weg drüber ist länger als drunter deswegen oben ein Unter- und unten ein Überdruck, der das Flugzeug nach oben bewegt. Die Strömung der Luft kommt durch den Vortrieb zustande.

Die andere, welche mir ein Physiker mal für Laien erklärt hat war "durch die Wölbung würde im hinteren Bereich ja ein Vakuum entstehen, das schnell ausgeglichen werden muss und deswegen der Flügel hochgezogen wird."

Fakt ist ohne Vortrieb auch kein Auftrieb. Der Vortrieb kommt durch düsen oder Probeller oder Seilwinde oder Erdanziehung und entsprechende Stellung der Flugzeuglängsachse. Ohne Vortrieb würde das Flugzeug wie ein Stein zu Boden fallen, da es sich trotz der schönsten Flügelform nicht wirklich als Fallschirm eignet.

Schöne Grüße und viel Spass beim Lesen der entsprechenden Einträge auf Wiki und so.

Expertenantwort
von ramay1418, Community-Experte für Flugzeug, 32

Die Frage hier zu stellen, ist so überflüssig wie ein Kropf. 

1. wurde die Frage hier schon so oft gestellt, dass eine schnelle Recherche die Antwort geliefert hätte. 

2. gibt jedes gute Physikbuch darüber Auskunft. 

3. gibt es Stadtbüchereien, in denen es Bücher über die Grundlagen des Fliegens gibt. 

4. gibt es das DLR, welches viele naturwissenschaftliche Phänomene immer sehr gut erklärt; dazu gehört auch das Fliegen, z. B. unter 

http://www.dlr.de/next/desktopdefault.aspx/tabid-6122/10193_read-24679/

Gefunden durch Eingabe von "Warum fleigen Flugzeuge" in eine beliebige Suchmaschine. 

5. gibt es (gedruckte) Lexika, die den Vorgang erklären oder, wenn es sein muss, auch die Wikipedia. 

6. Es gibt also mindestens fünf Gründe, die Frage NICHT hier zu stellen! 

Kommentar von Franz1957 ,

Wer so vorgeht, wie Du empfiehlst, der findet allerdings kaum "die" Antwort, sondern er findet ein buntes Angebot von einander widersprechenden Antworten und  Antwortkombinationen. Und dann erzählen ihm selbst Fachleute, auf der hier von Dir empfohlenen Seite, noch Sachen, die einfach nicht wahr sind:

Die Antwort auf diese Frage liegt – beim A380
wie bei allen anderen Flugzeugen – im gekrümmten Profil der
Tragflächen: Denn der Flügel eines Flugzeugs ist so geformt, dass die Luft auf der gewölbten Oberseite viel schneller strömt als auf der Unterseite.

Nein, das ist nicht bei allen anderen Flugzeugen so. Es gibt auch Flugzeuge und Hubschrauber mit symmetrischen Profilen, und die können ebenfalls fliegen.

Wir haben uns ja schon bei anderer Gelegenheit über das Thema ausgetauscht. https://www.gutefrage.net/frage/wie-entsteht-der-unterdruck-beim-flugzeug

Kommentar von ramay1418 ,

"Und dann erzählen ihm selbst Fachleute, auf der hier von Dir empfohlenen Seite, noch Sachen, die einfach nicht wahr sind:" 

Aha! Du behauptest einfach, Deine Antwort wäre richtig und die der Fachleute wäre falsch; warum? 

Dann liegt das DLR auch falsch? 

Kommentar von Franz1957 ,

Ich behaupte nur: Von der Antwort auf der DLR-Seite ist die Aussage falsch, die ich hier zitiert und der ich widersprochen habe. Warum? Weil es, wie gesagt, auch Flugzeuge und Hubschrauber mit symmetrischen Profilen gibt, die ebenfalls fliegen können.

Hier ist eine Liste mit Flugzeugtypen und den jeweils verwendeten Profilen. Bei einigen ist "symmetrical" angegeben. Das sind nicht sehr viele Flugzeugtypen, aber es sind halt z.B. solche wie die Kunstflugmaschinen von Suchoi, bei denen das symmetrische Profil Vorteile hat:

http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/aircraft.html

Überraschen sollte das niemanden, denn es ist  ja kein Geheimnis.

Symmetrische Profile sind ihrer Längsachse entlang spiegelsymmetrisch. Die Skelettlinie ist gerade. Solche Profile werden dort eingesetzt, wo Auftrieb oder Abtrieb erzeugt werden muss, z. B. Leitwerke an Flugzeugen oder Steuerruder an Schiffen.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Profil_(Str%C3%B6mungslehre)

Symmetrical airfoils have identical upper and lower surfaces. They are suited to rotary-wing applications because they have almost no center of pressure travel. Travel remains relatively constant under varying angles of attack, affording the best lift-drag ratios for the full range of velocities from rotor blade root to tip. However, the symmetrical airfoil produces less lift than a nonsymmetrical airfoil and also has relatively undesirable stall characteristics. The helicopter blade (airfoil) must adapt to a wide range of airspeeds and angles of attack during each revolution of the rotor. The symmetrical airfoil delivers acceptable performance under those alternating conditions. Other benefits are lower cost and ease of construction as comparedto the nonsymmetrical airfoil

Quelle http://www.dynamicflight.com/aerodynamics/airfoils/

Kommentar von ramay1418 ,

Dass es verschiedene Tragflächenprofile gibt, stelle ich doch gar nicht in Abrede und es ändert ja nichts an der Grundlage des Fliegens. Wer kann schon ein Naturgesetz außer Kraft setzen? 

Du stellst es aber halt so hin, als ob nur Bretter aus dem Baumarkt fliegen können und alle anderen Formen nicht. Das ist eben nicht richtig. 

Und das Tausende von Lehrbüchern (gerade Fachbücher über Segelflug, der optimalen Anwendung der Aerodynamik) falsch geschrieben und alle, die etwas mit der Fliegerei zu tun haben, falsch ausgebildet wurden und auch die Flugzeughersteller keine Ahnung haben, kann sein, muss es aber nicht. 

Kommentar von Franz1957 ,

Du stellst es aber halt so hin, als ob nur Bretter aus dem Baumarkt fliegen können und alle anderen Formen nicht.

Das sage ich nicht. Ich weise darauf hin, daß auch solche Flugzeuge fliegen, bei denen es diese Wölbung nicht gibt, und daß die Behauptung, die Wölbung sei Ursache des Auftriebs, also nicht stimmt.

und alle, die etwas mit der Fliegerei zu tun haben, falsch ausgebildet wurden und auch die Flugzeughersteller keine Ahnung haben

Das sagst Du und nicht ich.

Ich habe Dir unten schon das Lehrbuch von Anderson und Eberhardt genannt, in dem es richtig erklärt ist. Scott Eberhardt ist Mitarbeiter bei Boeing.

Die NASA widmet der Richtigstellung dieses Wölbungs-Irrtums eine ganze Serie von Seiten:

https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

Kommentar von Maisbaer78 ,

Außerdem wird explizit eingegerenzt, das die symmetrischen Profile da Anwendung finden, wo Auf und Abtrieb gleichzeitig erzeugt werden müssen. An den Leitwerken nämlich, und das ist bei allen Maschinen so, nicht nur bei einigen wenigen.

Die von dir angeführten Flugzeugtypen, die Auftrieb nur über Anstellung erreichen können, sind ohne Weiteres als echte Ausnahmen zu sehen.

Weder wirtschaftlich noch funktionell bietet diese Art des Fliegens Vorteile.  Lediglich für den Kunstflug ist die extreme Instabilität nach allen Richtungen wirklich wünschenswert.

Ein Stein fliegt auch, wenn man Ihn wirft. Eine Rakete auch. Und die Hummel auch.

Das eigentliche Fliegen wird aber mit asymetrischem Profil bewerkstelligt.

Kommentar von Franz1957 ,

Die echten Ausnahmen zeigen halt, daß der dynamische Auftrieb anders funktioniert als die Erklärung mit der Asymmetrie behauptet. Und wie er funktioniert, das ist die hier gestellte Frage.

Daß die asymmetrischen Profile und die mit Profildicke ungleich Null bedeutende Vorteile haben, ist unbestritten. Daß Steine auch ganz ohne Auftrieb fliegen, wenn man sie wirft, betreitet erst recht niemand. Alles richtig, geht aber an der hier zu beantwortenden Frage vorbei.

Antwort
von SpitfireMKIIFan, 82

Das ist die am häufigsten gestellte und demzufolge auch am häufigsten beantwortete Physikfrage überhaupt: https://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeug#Grundlagen:_Auftrieb_und_Vortrieb

Expertenantwort
von Franz1957, Community-Experte für Physik, 29

Der Auftrieb des Flugzeugs hat vor allem mit dem dritten Newtonschen Gesetz zu tun, dem Gesetz von Kraft und Gegenkraft. Die Tragflächen schieben die Luft, an der das Flugzeug vorbeikommt, nach unten und üben dabei eine Kraft auf sie aus. Die Gegenkraft zu dieser Kraft ist es, die das Flugzeug hebt.

Der Vorgang ist genau der gleiche wie bei Hubschrauber-Rotoren, bei Propellern Schiffsschrauben und Schwimmflossen: Ein Körper beschleunigt die Luft oder das Wasser in die eine Richtung und dies beschleunigt den Körper, der das tut, in die andere Richtung.

Wie die Tragflächen des Flugzeuges das genau tun, ist nicht leicht zu erklären, und wie das bei schwierigen Fragen verständlicherweise ist, sind auch Antworten im Angebot, die zwar falsch, aber dafür einfach sind und das Gehirn oberflächlich, aber rasch befriedigen. Eine solche falsche und oft zu lesende Antwort ist die, daß die Luft wegen der Wölbung der Tragflächenoberseite dort einen längeren Weg zurückzulegen habe und deshalb rascher strömen müsse, um nicht zu spät hinten anzukommen. Wer die Geschichte soweit glaubt, den überzeugt dann auch den Rest des Arguments, bei dem das Gesetz von Bernoulli mit hinzugezogen wird.

Kommentar von ramay1418 ,

Dass bei einer gewölbten Tragfläche der Weg länger ist, lässt sich ja einfach nachmessen. 

Die Frage ist dann aber, warum sich die "falsche" Lehrmeinung seit Beginn der Fliegerei hält, Hersteller gewölbte Tragflächen im Windkanal optimieren und immer noch bauen und Piloten, Mechaniker und Ingenieure immer noch etwas Falsche lernen sollten. 

Fliegerei ist schließlich eine auf die Spitze getriebene technische Anwendung und Umsetzung von Naturgesetzen. Also muss an Bernoulli doch etwas dran sein. 

Kommentar von Franz1957 ,

Da, wo es so ist, läßt es sich nachmessen. Nur ist es nicht bei allen Tragflächen so. Es ist bei symmetrischen Tragflächen nicht so und bei Profildicke = 0 (Drachen, Hängegleiter, Otto Lilienthals Flugapparate) ist es auch nicht so, egal wie gewölbt der Flügel ist.

(Ein "Weg" ist die Linie am Profil entlang übrigens nur im Windkanal, wo, umgekehrt wie beim Fliegen, der Flügel stillsteht und die Luft ihn umströmt. Die Erklärer tun mit aller Selbstverständlichkeit so, als sei es auch beim fliegenden Flugzeug die Luft, die herangeströmt käme und dabei Wege zurückzulegen hätte.)

Die Lehrmeinung mit dem langen Weg über die Flügeloberseite existiert gar nicht seit Beginn der Fliegerei. Sie tauchte etwa 1920 in den Lehrbüchern auf.

Die Hersteller optimieren und bauen Tragflächen mit gewölbtem oder jedenfalls asymmetrischem Profil deshalb, weil sie für die meisten Zwecke besser sind. Nicht deshalb, weil der Auftrieb nur so entstünde, sondern weil er so größer und unempfindlicher gegen veränderte Anstellwinkel und Geschwindigkeiten ist.

Nicht Bernoullis Gesetz widerspreche ich, sondern falschen Argumenten, die sich auf ihn berufen, und für die er nicht verantwortlich ist. Hier steht einiges über die falsche Anwendung von Bernoullis Gesetz:

http://www.aviation-history.com/theory/lift.htm

http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/Physics%20of%20Flight%20internet%202011.pd...

http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/Misinterpretations%20of%20Bernoullis%20Law...

Siehe auch in dem Lehrbuch von Anderson und Erberhardt, Understanding Flight,  den Anhang "Misapplications of Bernoulli’s principle".

Kommentar von rolle216 ,

Als Ergänzung zum Kommentar von Franz: Flugzeugflügel haben die gewölbte Form aus rein aerodynamischen Gründen - man vermeidet damit Luftverwirbelungen, was im wesentlichen zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs führt.

Kommentar von Roderic ,

Als Ergänzung zur Ergänzung:

Angenommen es gäbe nur Bernoulli und nicht Newton.

Wie kann dann ein Sportflugzeug fliegen...

...

...in der Rückenlage??

;-)

Kommentar von Maisbaer78 ,

Die Tragflächen schieben die Luft, an der das Flugzeug vorbeikommt, nach
unten und üben dabei eine Kraft auf sie aus. Die Gegenkraft zu dieser
Kraft ist es, die das Flugzeug hebt.

Nein, das was du beschreibst ist Staudruck. So funktionieren Turbinen.

Im Allgemeinen wird mit einem gewölbten Profil geflogen. Der Weg über die oben liegende Wölbung ist länger, darum muss die umströmende Luft dort schneller entlang gleiten, was einen Sog erzeugt der den Auftrieb bildet.

Es gibt Flugzeuge die fast gar keine Tragflächen mehr haben, deren Rumpf aber einem gewölbten Profil entspricht und die auf diese Art Auftrieb erzeugen. Was du da erklärst ist das berühmte fliegende Brett.

Auftrieb wird mit starker Anstellung erzeugt, was enorm unrentabel und instabil ist, es wird ständig gegen einen großen Widerstand geflogen. Bei einer Änderung der Anstellung, zb. weil aus dem Steigflug in den Horizontalflug übergegangen wird, droht die Maschine zu übersteuern und vorn über zu kippen.

Selbst Hochleistungsjagdflugzeuge besitzen asymetrische Profile.

Kommentar von Franz1957 ,


Nein, das was du beschreibst ist Staudruck. So funktionieren Turbinen.

Und Turbinenschaufeln werden mithilfe der Tragflügeltheorie berechnet...

https://books.google.de/books?id=LmKpBgAAQBAJ&lpg=PA260&ots=TjSjRobO2L&a...

Der Weg über die oben liegende Wölbung ist länger, darum muss die umströmende Luft dort schneller entlang gleiten, was einen Sog erzeugt der den Auftrieb bildet.

Ja, das ist die gängige Erklärung. Sie scheitert jedoch an jedem Papierdrachen, und sie scheitert auch an Otto Lilienthals Hängegleitern, bei denen das Profil zwar asymmetrisch, aber die Profildicke Null und damit der Weg über die Wölbung und unter der Wölbung genau gleich lang ist.

http://www1.wdr.de/wissen/technik/lilienthal-gleiter-nachbau-100.html

In Wirklichkeit gleitet die Luft aber beim Fliegen überhaupt nicht dort entlang. Es ist das Flugzeug, das gleitet und die Luft dabei nur für einen Augenblick aus der Ruhe bringt. Nur im Windkanal ist es umgekehrt. Da steht das Flugzeug still und die Luft gleitet an ihm entlang. Aber auch im Windkanal "muß" die Luft sich an keine Zeitvorgabe halten. In Wirklichkeit strömt sie dort an der Oberseite des Flügels sogar noch schneller entlang, als sie dieser Auffassung nach "müßte":

https://www.youtube.com/watch?v=UqBmdZ-BNig

Unbestritten ist, daß asymmetrische Profile große Vorteile haben. Aber die Vorteile und Nachteile sind hier nicht Gegenstand der Frage.

Antwort
von Roderic, 68

N bisschen schon. Aber nicht ausschließlich. Impulserhaltung spielt ebenfalls eine nicht unwesentliche Rolle.

Kommentar von rolle216 ,

Spielt sogar DIE wesentliche Rolle.

Kommentar von Roderic ,

So isses ;-)

Antwort
von Peppie85, 39

die luft hat über den flügel hinweg einen weiteren weg, als unter dem flügel entlang. also wenn sich das flugzeug vorwärts durch die luft bewegt, dann bewegt sich die luft über den flügel oder unter dem flügel hindurch.

weil sich die luft über dem flügel quasi dehnt, ist sie dort nicht so dicht wie unter dem flügel. es entsteht ein unterdruck. dieser saugt das flugzeug nach oben.

lg, Anna

Kommentar von prohaska2 ,

Der Beitrag der Luftgeschwindigkeit zum Auftrieb ist nicht besonders groß.

Kommentar von ramay1418 ,

Eine alte Fliegerweisheit sagt aber doch: "Fahrt ist das halbe Leben." 

Und warum taucht dann die Strömungsgeschwindigkeit mit v^2 in der Auftriebsformel auf? 

Kommentar von Roderic ,

Und warum taucht dann die Strömungsgeschwindigkeit mit v² in der Auftriebsformel auf?

Je höher die Geschwindigkeit umso mehr Luftmasse pro Sekunde wird vom Profil durchflogen und umso schneller wird diese Masse nach unten "geschubst".

Impuls ist gleich Masse mal Geschwindigkeit.

Das ergibt eine (annähernde) quadratische Abhängigkeit von v.

Kommentar von Joochen ,

'die luft hat über den flügel hinweg einen weiteren weg'

Ein beliebtes aber falsches Argument.  Warum?

Auch z. B. ein ebenes Brett erzeugt Auftrieb, wenn man es etwas schräg angestellt in einen Luftstrom hält.

Kommentar von ramay1418 ,

Dafür, dass das Argument falsch sein soll, hält es sich aber seit Beginn der Fliegerei hartnäckig in allen Ausbildungen für Piloten und Flugzeugmechaniker. 

Und warum bauen die Flugzeughersteller dann doch lieber gewölbte Tragflächen - und noch dazu mit asymmetrischem Profil -, die ja konstruktionsmäßig aufwendiger sind als flache Bretter? 

OK, kann sein, dass alle Piloten, Mechaniker und Ingenieure falsch liegen, dies ist aber ziemlich unwahrscheinlich. 

Allgemein reicht aber die Erklärung der gewölbten Tragfläche aus, denn die schnellere Strömung hat ja schon Bernoulli beschrieben und nach ihm wurde genau dieses Gesetz, ein Naturgesetz, benannt. 

Außerdem lässt sich der Effekt berechnen, messen und auch in Flüssigkeiten beobachten. 

Ein Effekt kommt noch hinzu: Die Luft strömt auf der Oberseite schneller, weil dies durch ein physikalisches Phänomen, den Anfahrwirbel an der Flügelhinterkante, hervorgerufen wird, also erst, wenn sich das Flugzeug bewegt. 

"SPEED IS LIFE.“ - FAVORITE FIGHTER PILOT AXIOM 

Kommentar von Franz1957 ,

Seit Beginn der Fliegerei...? Falls Du dieses Argument auch hier in Otto Lilienthals Buch findest, sag uns bitte die Stelle.

http://www.deutschestextarchiv.de/book/show/lilienthal\_vogelflug\_1889

Falsche Vorstellungen, wie die Dinge funktionieren, hindern einen nicht unbedingt daran, die Dinge erfolgreich anzuwenden. Wieviele Autofahrer verstehen den Motor?

Kommentar von rolle216 ,

Richtig. Ein Pilot muss nicht wissen, warum sein Flugzeug fliegt. Zudem: Die Flugzeugingenieure wissen natürlich, dass es im wesentlichen Newton ist, der ein Flugzeug abheben lässt und Bernoulli, wenn überhaupt, eine untergeordnete Rolle spielt.

Kommentar von Peppie85 ,

das ist kein echter auftrieb, sondern nur eine art segeln. weil das brett quasi der luft ausweicht.

ein nach schräg oben alleine aufgestelltes, glattes profil würde letzten endes nur dazu führen, dass das fluggerät vorne über kippt, weil sich das brett stets laminiar zur strömung ausrichten will...du brächtest also ein überproportional großes leitwerk um diesen effekt zu vermeiden.

lg, Anna

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