Das Fliegen fasziniert Menschen seit jeher und ist seit den Anfängen der Luftfahrt ein komplexes Zusammenspiel physikalischer Phänomene und technischer Innovationen. Die Grundlagen des Fliegens basieren auf den sogenannten Prinzipien des Flugs, die in erster Linie die vier Grundkräfte umfassen: Auftrieb, Schub, Gewicht und Luftwiderstand. Um das Verhalten eines Flugzeugs in der Luft zu verstehen, muss man das Zusammenspiel dieser Kräfte sowie deren Einfluss auf die Steuerung und Performance eines Flugzeugs begreifen. Der Auftrieb ist wohl die wichtigste Kraft, da er ein Flugzeug überhaupt erst in die Luft hebt. Er entsteht durch die Bewegung der Luft über die Tragflächen, die als Aerodynamische Profile – sogenannte Luftprofile oder Airfoils – gestaltet sind.
Dabei spielt der Winkel an, unter dem die Tragfläche zur anströmenden Luft steht, die sogenannte Anstellwinkel oder Angle of Attack, eine zentrale Rolle. Mit zunehmendem Anstellwinkel steigt der Auftrieb bis zu einem kritischen Punkt, dem sogenannten Stalling-Winkel. Überschreitet man diesen Winkel, bricht der Auftrieb abrupt ein, was zu einem Strömungsabriss und einem damit verbundenen Strömungsabriss führt. Die Erzeugung des Auftriebs wird häufig mit Bernoullis Prinzip erklärt, welches besagt, dass die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases steigt, während der Druck sinkt. Über den Tragflächen ist die Luft schneller als unterhalb, was zu einem Druckunterschied führt und die Tragfläche nach oben hebt.
Aber Bernoullis Prinzip alleine ist nicht ausreichend, um Auftrieb vollständig zu erklären. Newtons dritte Bewegungsgesetz – „Actio und Reactio“ – beschreibt zusätzlich, wie die Luft nach unten abgelenkt wird und als Reaktion darauf die Tragfläche nach oben gedrückt wird. Dieses Zusammenwirken von Druckdifferenzen und Luftstromveränderungen macht den Auftrieb aus. Neben dem Auftrieb wirkt das Gewicht auf das Flugzeug, welches durch die Erdanziehungskraft nach unten zieht. Das Gewicht ist abhängig von der Gesamtlast des Flugzeugs, zu der sowohl die Struktur, die Insassen, die Fracht als auch der Treibstoff gehören.
Um im Flug das Gleichgewicht zu halten, muss der Auftrieb exakt das Gewicht kompensieren. Dieses Gleichgewicht ist für besseres Verständnis auch als Zustand der „Equilibrium“ bekannt, bei dem keine Beschleunigung in vertikaler Achse stattfindet und das Flugzeug in konstanter Höhe fliegt. Dem Auftrieb gegenüber steht auch der Luftwiderstand, der sich aus allen Kräften zusammensetzt, die das Flugzeug beim Vorwärtsflug bremsen. Der Luftwiderstand unterteilt sich in induzierten und parasitären Widerstand. Induzierter Widerstand entsteht immer dann, wenn Tragflächen Auftrieb erzeugen.
Er hängt stark vom Anstellwinkel ab: Je größer der Winkel und je langsamer die Geschwindigkeit, desto größer der induzierte Widerstand. Dieser ist hauptsächlich auf die Wirbelbildung an den Flügelspitzen zurückzuführen, den sogenannten Wirbelschleppen oder Wingtip Vortices. Durch technologische Maßnahmen wie Winglets versuchen Flugzeughersteller, diesen induzierten Widerstand zu minimieren und dadurch den Wirkungsgrad der Tragflächen zu verbessern. Der parasitäre Widerstand entsteht durch die Form und Oberfläche des Flugzeugs sowie durch Luftverwirbelungen, die an verschiedenen Bauteilen wie Motorhauben, Fahrwerk oder Antennen auftreten können. Er steigt mit zunehmender Geschwindigkeit quadratisch an, weswegen schnelle Jets besonders auf ihre aerodynamische Gestaltung achten.
Der Parasitäre Widerstand gliedert sich in Formwiderstand, Interferenzwiderstand und Reibungswiderstand. Formwiderstand betrifft vor allem die äußere Kontur, Interferenzwiderstand entsteht an Schnittstellen verschiedener Bauteile, und Reibungswiderstand wird durch den Kontakt der Luft mit der Flugzeugoberfläche verursacht. Der Schub schließlich ist die Kraft, die das Flugzeug vorwärts treibt. Er wird durch die Triebwerke erzeugt und muss dem Luftwiderstand mindestens entsprechen, um eine konstante Geschwindigkeit zu halten. Wird mehr Schub erzeugt als Luftwiderstand, beschleunigt das Flugzeug, bei weniger Schub verlangsamt es sich.
Bei Hubschraubern, Tragschraubern oder anderen Drehflüglern wird der Schub oft in derselben Richtung wie der Auftrieb erzeugt, da die Rotoren gleichzeitig für beide Kräfte sorgen. Der Schub hängt direkt mit Newtons zweitem Gesetz zusammen, das den Zusammenhang von Kraft, Masse und Beschleunigung beschreibt. Wird eine größere Kraft auf eine bestimmte Masse aufgebracht, resultiert daraus eine Beschleunigung. Deshalb bewirkt ein stärkeres Triebwerk eine höhere Geschwindigkeit oder schnellere Steigleistung. Das Verhalten von Schub und Luftwiderstand bildet die Grundlage für Beschleunigung, Verzögerung, Steigen und Sinken des Flugzeugs.
Neben den physikalischen Kräften spielt die Geometrie und Konstruktion des Flugzeugs eine wesentliche Rolle. Die Gestaltung der Flügel ist speziell an den Einsatzzweck und das Flugverhalten angepasst. Verschiedene Luftprofil-Formen bieten unterschiedliche Eigenschaften: Symmetrische Profile sorgen für geradliniges Flugverhalten und sind typisch für Kunstflugmaschinen, während asymmetrische Profile besseren Auftrieb bei normalen Flugzuständen liefern. Flügel können außerdem mit Klappen ausgestattet sein, die den Auftrieb in langsamen Flugphasen wie Start und Landung erhöhen. Bei verlängertem Anstellwinkel und reduzierter Geschwindigkeit können die Klappen verwendet werden, um den kritischen Anstellwinkel zu verringern und damit den sicheren Flug bei niedrigen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.
Auch die Steuerung des Flugzeugs hängt eng mit dem Verständnis der aerodynamischen Kräfte zusammen. Der Pilot beeinflusst Lift und Geschwindigkeit durch Veränderung von Anstellwinkel und Triebwerksleistung. Steigt die Geschwindigkeit, lässt sich auch der Anstellwinkel reduzieren, weil schon bei kleinerem Winkel genügend Luft über die Flügel strömt, um Auftrieb zu erzeugen. Sinken lässt sich die Geschwindigkeit durch Verminderung des Schubs oder durch kontrollierten Anstieg des Anstellwinkels, wobei aber die Grenze des maximalen Anstellwinkels beachtet werden muss, um einen Strömungsabriss zu verhindern. Ein wichtiger Aspekt ist die Anpassung der Flugparameter an veränderte Umweltbedingungen.
Die Luftdichte, die maßgeblich von Temperatur, Höhe und Luftfeuchtigkeit abhängt, wirkt sich erheblich auf den Auftrieb aus. In großer Höhe oder bei hohen Temperaturen ist die Luft dünn, der Auftrieb geringer. Flugzeuge müssen dann eine höhere Geschwindigkeit fliegen oder den Anstellwinkel vergrößern, um denselben Auftrieb zu erzielen. Das beeinflusst zudem den Kraftstoffverbrauch und die Reichweite erheblich. Ein weiteres Phänomen ist der Bodeneffekt, der auftritt, wenn ein Flugzeug sich nahe am Boden befindet.
Dabei verringert sich der induzierte Luftwiderstand durch die Reduzierung der Wirbelschleppenbildung nahe dem Boden, was zu einem scheinbaren Auftriebszuwachs führt und die Landung oder den Start beeinflussen kann. Oftmals führt dieser Effekt zu einem sogenannten „Schwebeffekt“, bei dem sich die Maschine näher am Boden hält als beabsichtigt und das präzise Landen deutlich erschwert. Die Balance zwischen den vier Kräften ist ein dynamisches Zusammenspiel, das bei jeder Flugbewegung neu abgestimmt werden muss. In Geradeausflug, Kurven, Steig- oder Sinkflug verändern sich dabei sowohl Auftrieb als auch Schub und Widerstand. Nur durch kontinuierliches Anpassen der Steuerung und Leistungsanlage kann ein Flugzeug sicher gelenkt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Prinzipien des Flugs auf einem tieferen physikalischen Verständnis beruhen, das sowohl Bernoullis Prinzip als auch Newtonsche Gesetze nutzt und die komplexen aerodynamischen Phänomene berücksichtigt. Die Kräfte Auftrieb, Gewicht, Schub und Luftwiderstand sind untrennbar miteinander verbunden und beeinflussen sich gegenseitig in vielfältiger Weise. Flugtechnik und Flugsteuerung basieren darauf, diese Kräfte im optimalen Verhältnis zu halten, um stabile und sichere Flüge zu gewährleisten. Flugschulen, Luftfahrtschulen und Piloten profitieren von detaillierten Kenntnissen dieser Grundlagen, um Flugsituationen vorherzusehen, Risiken zu minimieren und in Notfällen schnell richtig zu reagieren. Erforschung und Entwicklung im Bereich Luftfahrt setzen genau dort an, um Flugzeuge effizienter, sicherer und umweltfreundlicher zu gestalten.
Die Prinzipien des Fliegens bleiben damit ein zentrales Element der Luftfahrttechnik und der Ausbildung angehender Piloten.
