Grundlagen der Aerodynamik

Vorwort

In diesem Bereich wollen wir die wichtigsten Begriffe und Wirkungsweisen erklären, die beim Fliegen von elementarer Bedeutung sind. Das Verständnis dieser Sachverhalte ist für den Piloten sehr wichtig.

Die vier wichtigsten Begriffe sind:

• Schwerkraft
• Vortrieb
• Auftrieb
• Widerstand

Schwerkraft

Die Schwerkraft und ihre Auswirkung kennt jeder und sie ist am einfachsten zu verstehen. Die Erdanziehung (Gravitation oder Schwerkraft) hält alle Gegenstände am Boden. Wenn man einen Gegenstand in der Hand hält und ihn fallen lässt, sieht man die Auswirkung der Gravitation direkt vor sich.

^{Bild: Frits Ahlefeldt CC BY-NC-ND 2.0, Link}

Ohne die Gravitation würden die Gegenstände umherschweben. Dies sieht man z. B. bei Aufnahmen aus der Raumstation ISS.

Um einen Gegenstand vom Boden anzuheben, ist eine Kraft nötig. Die Größe dieser Kraft hängt von der Masse des Gegenstandes ab. Um z. B. einen vollen Wasserkasten anzuheben, benötigt man mehr Kraft, als wenn man einen leeren Wasserkasten anhebt.

Die Kraft, die dafür sorgt, dass ein Flugzeug vom Boden abhebt, nennt man Auftrieb. Wir besprechen später, wie sie erzeugt wird. Vorher müssen wir uns aber noch den Vortrieb näher anschauen. 

Vortrieb

Durch den Vortrieb (oder Schub) bewegt sich das Flugzeug nach vorne. Je höher der Vortrieb ist, desto schneller wird das Flugzeug, d. h. desto größer wird die Geschwindigkeit.
Der Schub wird durch den Propeller oder die Turbine des Flugzeugs erzeugt. Wie ein Propeller und eine Turbine genau funktionieren, erklären wir später in speziellen Abschnitten.

Auftrieb

Durch den Vortrieb bewegt sich das Flugzeug vorwärts. Dadurch wird der Flugzeugflügel von Luft umströmt. Die spezielle Form des Flügels sorgt dafür, dass die Luft, die auf der Oberseite den Flügel umströmt, beschleunigt wird.

_{Bild: Kraaiennest, Lizenz: CC BY-SA 3.0, Link}

Dies erzeugt auf der Oberseite des Flügels einen Unterdruck. Der Flügel wird nach oben gedrückt und erzeugt dadurch Auftrieb. Wird die Geschwindigkeit erhöht wird auch der Auftrieb stärker. Aber auch durch die Veränderung des Tragflächenprofils (z. B. durch Ausfahren der Landeklappen) kann der Auftrieb verstärkt werden. Damit kann man eine reduzierte Geschwindigkeit (und folglich einen reduzierten Auftrieb) kompensieren.

Auch die Form des Flugzeugrumpfes hat erheblichen Einfluss auf den Auftrieb. Das sieht man sofort, wenn man eine F-104 ansieht, deren Flügel sehr kurz geraten sind:

Es gibt auch Flügelformen, die nicht, wie oben beschrieben, aufgebaut sind. Bei Kampfflugzeugen und Flugzeugen für Kunstflug wird auf die Verstärkung des Auftriebs durch die Flügelform verzichtet, um Manöver wie z. B. den Rückenflug zu ermöglichen.

Widerstand

Wird ein Gegenstand durch die Luft bewegt, so muss er die Luft verdrängen.

Bewegt man seine Hand schnell durch die Luft, verspürt man kaum einen Widerstand. Hält man seine Hand in die Luft, während man Fahrrad oder sogar mit dem Auto fährt, spürt man den Luftwiderstand wesentlich deutlicher.

Daraus ist ersichtlich, dass mit höherer Geschwindigkeit auch der Luftwiderstand steigt.

Aber auch die Form hat deutlichen Einfluss auf den Widerstand. Hält man die Handfläche horizontal aus dem Fenster, ist der Widerstand kleiner, als wenn man sie vertikal aufstellt.

_{Bild: Bergdohle, Lizenz: Public Domain, Link}

Natürlich hat die Form des Flügzeugs einen großen Einfluss auf den Widerstand. Es ist logisch, dass große Transportmaschinen einen wesentlich größeren Luftwiderstand haben als ein schlankes Jagdflugzeug.

Aber auch ein ausgefahrenes Fahrwerk, montierte Waffen oder ausgefahrene Bremsklappen erhöhen den Widerstand. Dies führt dazu, dass die Geschwindigkeit/Reichweite des Flugzeugs verringert wird.