Wieso hat ein Flugzeug einen Auftrieb?

6 Antworten

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Der Auftrieb entsteht aufgrund des dritten Newtonschen Gesetzes: actio = reactio. Die Flügel schubsen Luft nach unten. Mit der gleichen Kraft, die sie dabei auf die Luft ausüben, tragen die Flügel das Flugzeug.

Die Geschichte mit dem größeren Weg, die man seit etwa 90 Jahren hierzu lesen kann, ist falsch, und das ist sehr leicht zu durchschauen: Erstens hat die Luft keinen Vertrag unterschrieben, der sie dazu verpflichtet, sich auf der Oberseite des Flügels zu beeilen, um pünktlich an der Hinterkante des Flügels anzukommen. Es ist ihr absolut egal, wie lange sie dafür braucht. Tatsächlich kommt sie sogar schneller hinten an als sie nach dieser Erklärung vermeintlich "müßte".

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

Zweitens hat auch jeder Papierdrachen und jeder Hängegleiter einen Auftrieb, obwohl das Profil die Dicke Null hat und der Weg über den Flügel gleich lang ist wie der Weg unter dem Flügel. Das Gleiche gilt für Flugzeuge und Hubschrauber mit symmetrischem Profil, die gibt es auch. Drittens legt die Luft überhaupt keinen Weg zurück, weder oberhalb noch unterhalb des Flügels. Das ist nur im Windkanal so, aus dessen Umgebung (Uni Göttingen) dieser Irrtum damals in Umlauf kam. Es ist das Flugzeug, da sich bewegt. Die Luft steht still und der Flügel setzt sie, in dem Moment, in dem er vorbeikommt, kurzzeitig in Bewegung.

Hier haben wir über dieses Thema schon ausgiebig diskutiert:

https://www.gutefrage.net/frage/wie-fliegt-eigentlich-ein-flugzeug

https://www.gutefrage.net/frage/wie-entsteht-der-unterdruck-beim-flugzeug


Für den Auftrieb spielt es keine Rolle ob sich das Flugzeug oder die Luft bewegt. Die Gesetzmäßigkeiten sind gleich und deshalb kann man im Windkanal Messungen durchführen.

Der Begriff "längerer Weg"  ist natürlich nur ein Erklärungsversuch für Laien, dem Physiker sind die unterschiedlichen Beschleunigungen auf der Ober- und Unterseite des Flügel ein Begriff. Er redet von Zirkulationströmungen um den Flügel als Gegenpart zum Anfahrwirbel. Dieser Effekt, der für Laien schwer verständlich ist, haben Kutta und Joukowski in ihrer Formel ausgedrückt.

Das es diese Rückströmung an der Unterseite des Flügels tatsächlich gibt, kann man am Magnus-Effekt erkennen. Flettner nutzte diesen Effekt bei seinen Rotorschiffen.

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Das ist ein Naturgesetz. In einer verengten oder erweiterten Stromröhre (und die Tragfläche kann gut als solche betrachten) sind die pro Zeiteinheit durchströmenden Volumina gleich groß. 

Enger Querschnitt (Tragflächenoberseite zur freien Strömung) = höhere Geschwindigkeit mit Unterdruck und umgekehrt. 

Dazu kommt auf der Unterseite der Newton'sche Effekt von actio = reactio. Aufgrund der Wölbung drückt die Luft die Fläche nach oben. 

Grob gesagt, macht der Sog (Unterdruck) auf der Oberseite ca. 2/3, der Druck (Überdruck) an der Unterseite ca. 1/3 des Auftriebs aus. Die Feinheiten ergeben sich aus der jeweiligen Konstruktion des Tragflügels und der Flugzeugform. 

Die langsamere Geschwindigkeit der Strömung an der Unterseite kommt durch einen Effekt zustande, der überhaupt erst das Fliegen möglich macht: 

Wenn das Flugzeug startet, gibt es einen naturgesetzlich bedingten "Anfahrwirbel" an der Flügelhinterkante. Dieser Wirbel, der immer entsteht, wenn sich ein Flugzeug in Bewegung setzt, rollt sich von unten nach oben zusammen. 

Dabei entsteht ein Gebiet verminderten Drucks an der Oberseite der Hinterkante. Verminderter Druck heißt aber in der Aerodynamik schnellere Strömung. So baut sich bei zunehmender Geschwindigkeit der Auftrieb auf. 

Damit ist auch geklärt, wieso die Luft auf der Oberseite schneller strömt. 

Die Strömung kann noch durch zwei Komponenten beeinflusst werden: 

1. Durch den Einstellwinkel. Das ist der Winkel zwischen der Profilsehne des Flügels und der Flugzeuglängsachse und 

2. durch den Anstellwinkel. Das ist der Winkel zwischen der Profilsehne und der anströmenden Luft. 

Auftrieb steht immer senkrecht zur Bewegungsrichtung, daher wird er kleiner, wenn ein Flugzeug zu stark "angestellt" wird. Irgendwann bricht der Auftrieb (wegen zunehmenden Widerstands) zusammen (stall) und das Flugzeug sinkt oder stürzt ab. Die Crew bekommt aber vorher eine "Stallwarning" (optisch, aural und/oder haptisch). 

Kunstflugmaschinen oder Experimentalflugzeuge haben manchmal ein symmetrisches Flügelprofil, weil sie ganz anders geflogen werden (über den Anstellwinkel) als Verkehrsflugzeuge. Dort ist die Fläche an der Oberseite immer nach außen gewölbt und an der Unterseite glatt oder leicht nach innen gewölbt. 

Sehr gute Erklärung! 5 Sterne dafür.

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'Auftrieb steht immer senkrecht zur Bewegungsrichtung, daher wird er kleiner, wenn ein Flugzeug zu stark "angestellt" wird'.

Das überlegt Dir besser noch einmal.

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@Joochen

Habe ich, und auch in einem meiner alten Lehrbücher nachgeschaut. Und nun? 

Vom Pädagogischen her hätte ich jetzt eine laienhaft verständliche Erklärung erwartet. 

Ich weiß natürlich, dass ich statt "Bewegungsrichtung" besser hätte "Anströmrichtung" schreiben wollen, aber für unsere Betrachtung hier reicht das aus, denn ein Flugzeug bewegt sich ja - meistens jedenfalls - nach vorne. 

Und dass der Auftrieb nachlässt, wenn man ein Flugzeug zu stark anstellt, hat in der Praxis der Fliegerei leider schon zu mehreren Unfällen, auch mit Toten, geführt. 

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Auch das 3. Newtonsche Gesetz, das Impulserhaltungsprinzip, ist ein Naturgesetz und kein Effekt, der irgendwo auftritt und anderswo nicht. Es gilt überall, wo Kräfte wirken, ob sie nun durch Druck oder durch Sog oder sonst etwas entstehen. Damit beschreibt es als Impulsbilanzgleichung das Geschehen am ganzen Flügel, Ober- wie Unterseite eingeschlossen. Es steht nicht in Konkurrenz zu den aerodynamischen Vorgängen, die Du beschreibst, sondern es beschreibt dieselben Vorgänge auf andere Weise.

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@Franz1957

Natürlich, aber man kann vereinfacht durchaus sagen, dass die "actio" eine "reactio" hervorruft, also einen Effekt, eine Wirkung nämlich, ohne gleich die Naturgesetze in Frage zu stellen, was ich nie tun werde.  

GF ist ja keine naturwissenschaftliche Lehrveranstaltung, deshalb sei mir der Mixup verziehen. 

Aber ich werde, wenn ich mal Zeit und Lust habe, meine Wissensdatenbank updaten und vielleicht nach Doppeldeutigkeiten durchsuchen. 

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@ramay1418

Schon gut, mir ging es hauptsächlich darum, daß "actio" und "reactio" nicht speziell nur an der Flügelunterseite stattfinden, sondern auch an der Oberseite, und damit auch für die dominierenden 2/3 des Auftriebs verantwortlich sind.

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Auch wenn zumeist noch behauptet wird der Bernoulli-Effekt sei ursächlich dafür, dass ein Flugzeug fliegen könne - Tatsächlich ist es das gute alte Newtonsche Axiom. Flugzeugflügel haben einen Anstellwinkel, wodurch die Luftmoleküle nach unten abgelenkt werden. Dadurch wird der Flügel und somit das Flugzeug nach oben beschleunigt.

Es gibt diverse Flugzeuge, die nicht die allseits bekannte "typische" Flügelform haben, sondern symmetrische Flügelflächen. Und trotzdem fliegen auch diese Flugzeuge - eben wegen des Anstellwinkels.

Dass viele Flügel an der oberen Fläche anders gewölbt sind, als an der unteren Fläche, hat vor allem Aerodynamische Gründe (z.B. Verhindern von Verwirbelungen).

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