Aerodynamik


	Wie fliegt ein Flugzeug?


	Eine Ebene höher

Um ein Modellflugzeug fliegen zu können, sollte der Pilot wie bei der manntragenden Fliegerei auch ein gewisses Verständnis für die grundlegenden Zusammenhänge der Physik haben. Deshalb versuche ich hier, das notwendige Basiswissen zusammenzufassen. Wer diese Sachverhalte erst einmal verinnerlicht und nachvollzogen hat, wird es um Welten einfacher haben, die Fliegerei in der Praxis zu erlernen. Es gibt sicher auch einige Modellflieger, die den praktischen Teil dieses Sports begonnen haben, bevor ihnen die theoretischen Grundlagen bekannt waren, aber erfahrungsgemäß geht dann mehr Material zu Bruch - und früher oder später muß man in diesem Hobby die wichtigsten Dinge der Aerodynamik sowieso lernen...


	Was unterscheidet ein Flugzeug von einem Stein?


	... eigentlich gar nichts - vom Standpunkt der Physik her betrachtet. Beide sind Körper, die - was das Fliegen anbelangt - bei Bewegungen in der Luft von uns eigentlich allen bekannten Kräften beeinflußt werden. Darauf gründet die beliebte These der Antriesbsfreaks, die am liebsten einen Parkflyer mit 30 Zellen und einem Hochleistungsmotor ausstatten würden:


	*Auch ein Backstein kann fliegen, man muß ihn nur ausreichend antreiben...*


	Wie soll denn das funktionieren?


	Richtig - um das nachvollziehen zu können, muß man ein wenig Einblick in die Physik eines Flugzeugs haben. Also los: Die wichtigsten Kräfte, die man zum Verständnis der Flugphysik kennen muß, sind:


	Die Auftriebskraft, die den Flugkörper in der Luft hält und sich aus Körperform und der bei Bewegung entstehenden Effekte ergibt.


	Die Vortriebskraft, die dem Körper eine horizontale Vorwärtsbewegung verleiht (z.B. durch einen vom Motor angetriebenen Propeller)


	Die Kraft, die der horizontalen Bewegung des Flugkörpers entgegenwirkt (der Luftwiderstand).

Die Gewichtskraft, die sich aus der Masse des Flugkörpers und der Gravitation ergibt


	Die Vortriebskraft

Die Vortriebskraft beim Flugzeug kann durch einen Propeller erzeugt werden, dessen Funktionsweise sich übrigens prinzipiell auf dieselben Zusammenhänge stützt wie die des Tragflügels. Alternativ kommen Antriebe wie Turbinen zum Einsatz, die sich der Rückstoßkräfte bedienen. Alle Antriebe von Flugzeugen haben jedoch eines gemeinsam: Sie ‘stützen’ sich sozusagen an der Luft ab, um den Flieger vorwärts zu bewegen. Nur ein Segelflugzeug hat - abgesehen von Motorseglern - keinen Eigenantrieb. Daher sind die Segelflieger auch immer auf fremde Hilfe angewiesen, um erst mal in die Luft zu kommen. Sie nutzen dann den Vortrieb, der sich dadurch ergibt, daß sie sich nicht horizontal, sondern auf einer nach unten geneigten Flugbahn bewegen. Wenn also ein Segelflieger keine Unterstützung durch irgendwelche Aufwinde bekommt, ist sein Segelflug zeitlich arg begrenzt. Er kann dann solange fliegen, bis er seine Lageenergie, die er beispielsweise im Schleppflug hinter einem Motorflugzeug durch die erreichte Höhe erlangt hat, im Flug wieder aufgebraucht wurde. Die Größe der Vortriebskraft (oder die Antriebsleistung) ist übrigens - wie auch beim Auto - mit maßgeblich für die erreichbare Fluggeschwindigkeit. Wenn der Luftwiderstand des Fliegers beim Beschleunigen gleich groß geworden ist wie die Antriebskraft, kann das Flugzeug in gleicher Fluglage allerdings nicht mehr schneller werden.


	Der Luftwiderstand

Der Luftwiderstand ist für den leistungsorientierten Modellpiloten auch gleichzeitig der größte Lustwiderstand...
Er begrenzt wie oben erwähnt die Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs, genau wie wir es vom Fahrrad oder Auto her kennen. Und er bremst jeden Körper ab, der sich durch die Luft bewegt, was einen Tragflügel wiederum dabei behindert, Auftrieb zu produzieren. Aus Form und Oberflächengüte eines Flugzeugs sowie aus dessen Geschwindigkeit ergibt sich die Gegenkraft des Luftwiderstands zur Antriebskraft, weswegen die Gestaltung und Verarbeitung eines Flugzeugs entscheidend für dessen Flugeigenschaften verantwortlich sind. Deshalb versucht man beim Bau eines Fliegers darauf zu achten, daß sich an allen Teilen des Flugkörpers den Luftmolekülen möglichst wenige Hindernisse entgegenstellen. Die Überwindung des Luftwiderstands kostet natürlich Energie, und zwar quadratisch zur Geschwindigkeitsänderung...


	Die Gewichtskraft

Die Gewichtskraft ist uns allen aus eigener Erfahrung bekannt und für einen Körper auf der Erde überall beinahe gleich groß. Sie wirkt immer in Richtung des Erdmittelpunkts (weil der das Massenzentrum der Erde darstellt) und ist um so größer, je größer die Masse eines Körpers ist.
Die Ursache ist die Gravitation (Erdanziehungskraft) - oder, allgemeiner ausgedrückt der erstaunliche Umstand, daß sich zwei Körper mit einer bestimmten Masse (also Erde und Mensch oder Erde und Flugzeug) immer gegenseitig anziehen, und zwar um so stärker, je größer deren Massen und je näher sie sich sind. Das ist einfach nachvollziehbar, wenn man sich vorstellt, wie wir uns auf dem Mond bewegen würden. Die Masse eines Astronauten ist auf dem Mond zwar gleich groß wie auf der Erde. Da jedoch der Mond entscheidend weniger Masse hat als die Erde, beträgt auch die Gewichtskraft die auf den Astronauten wirkt und in Richtung des Mondmittelpunkts gerichtet ist deutlich geringer als auf der Erde (ungefähr ein Sechstel). Daher kann man auf dem Mond mit gleichem Kraftaufwand viel weiter springen als auf der Erde. Die Gewichtskraft zieht also jedes Flugzeug nach unten und würde es ohne Einwirkung anderer Kräfte auf die Erde fallen lassen wie einen Stein.


	Die Auftriebskraft


	Die Auftriebskraft am Flugzeug entsteht durch die raffinierte Gestaltung des Tragflügels und der Anströmung dieser Form durch die Luft bei der Vorwärtsbewegung - und nur da, deswegen ist ein Flugzeug ohne Bewegung, das heißt ohne durch Luft angeströmte Tragfläche genauso flugfähig wie der berühmte Stein...

Nebenstehende Abbildung zeigt den Querschnitt einer Tragfläche mit der sie umströmenden Luft und den resultierenden Kräften.

Die grünen Objekte sind die von der Luft umströmten Körper. Die blauen Linien sind das in der Aerodynamik als Medium relevante Fluid bzw. Gas, also die Luft. Die roten Pfeile repräsentieren die auf den Körper wirkenden Kräfte.
Die vor den bewegten Körpern befindliche Luft sei bei unseren Betrachtungen in Ruhe, die Zusammensetzung der Luft sei homogen, also etwa gleichmäßig aus Molekülen identischer physikalischer Eigenschaften aufgebaut.

Zum einfacheren Verständnis kann man dies Denkmodell anwenden:

Wenn sich das Flugzeug (dargestellt durch den Tragflügelquerschnitt im oberen Bildteil) jetzt nach links bewegt, so trifft an der Vorderkante des Flügels Luft auf, die dort zweigeteilt wird: Teile der Luftmöleküle werden nach oben abgelenkt, die anderen nach unten. Nun müssen aber die oberen Moleküle durch die stärkere Krümmung der Flügeloberseite in derselben Zeit einen längeren Weg zurücklegen, um an der Tragfläche vorbeizustreichen, als die unteren. Dadurch entsteht an der Flügeloberseite ein Unterdruck und an der Unterseite ein Überdruck gegenüber der nicht beteilgten Luft. Beide unterschiedlichen Drücke bewirken eine Kraft die nach oben gerichtet ist, und zwar um so stärker je schneller die Vorwärtsbewegung des Fliegers ist. Je schneller also das Flugzeug fliegt, desto mehr Auftriebskraft produzieren die Tragflächen (allerdings wird dann auch der Luftwiderstand größer). Wenn man ein Flugzeug langsam aus dem Stand heraus beschleunigt, wird irgendwann die Auftriebskraft durch die Flügel größer als die Gewichtskraft.

Kräftewirkung an umströmten Körpern in Fluiden...

Das geschieht bei einer Geschwindigkeit, die auch die Mindestfluggeschwindigkeit für dieses Flugzeug ist - Und genau ab diesem Zeitpunkt fliegt das Flugzeug... Die Mindestgeschwindigkeit ist natürlich auch abhängig vom Luftdruck, also von der Menge der am Auftrieb beteiligten Luftmoleküle. Deswegen muß ein Flugzeug in größerer Höhe schneller fliegen, um nicht herunterzufallen.

Bei Modellflugzeugen kann man diesen Effekt übrigens auch bemerken, wenn man einmal in die Berge geht um dort Hangflug zu betreiben: Das Modell muß hier schneller als sonst geflogen werden, um denselben Auftrieb zu erhalten, und die erreichbare Maximalgeschwindigkeit liegt höher als im niedriger gelegenen Flachland. Die Fliegerei in den Alpen macht also nochmal so viel Spaß. Beim Landen braucht man aufgrund der höheren Mindestgeschwindigkeit aber auch mehr Platz, und der ist da oben nicht gerade reichlich vorhanden. Man sollte sein Modell also schon ganz gut beherrschen, bevor man das erste Mal dorthin zum Fliegen geht.

Im unteren Bildteil sieht man übrigens die Zusammenhänge an einer ebenen Platte, die durch das Medium Luft bewegt wird. Wenn die Platte horizontal in der Luft liegt, wirken Vortrieb, Luftwiderstand und Gewichtskraft - aber kein Auftrieb, und so kann die Platte nicht fliegen, sie befindet sich dann - so der Fachbegriff - nicht im stationären Gleichgewichtszustand (das hat nichts mit stehenbleiben zu tun sondern besagt nur, daß in diesem Zustand die Summe der beteiligten Kräfte nichts an Lage und Bewegungszustand ändern würde). Daher wird die Platte durch die Gewichtskraft nach unten gezogen.
Anders sieht es im rechten unteren Bildteil aus. Die Platte wird schräggestellt durch die Luft bewegt, sie hat also einen Anstellwinkel (schwarz) gegenüber den ihr scheinbar entgegenkommenden Luftmolekülen. Diese werden nach unten abgelenkt und bewirken dadurch eine Gegenkraft (Auftrieb) auf die Platte nach oben. Wenn der Auftrieb gleich oder größer der Gewichtskraft ist, fliegt die Platte.

Das Ganze funktioniert natürlich auch mit einem Stein - womit unsere Antriebsfreaks wieder mal recht behalten...

Aha - so ist das also... Und was war daran das wichtigste?

Alle diese Zusammenhänge sind wichtig und von jedem Piloten zu beherrschen. Aber keine Panik: mit der Zeit sind das alles Selbstverständlichkeiten. Als Piloten können wir außerdem einige der Kräfte gar nicht oder nur wenig beeinflussen, als da wären: Gewichtskraft, Luftwiderstand und maximale Antriebskraft. Bleibt nur der Auftrieb, und den können wir im Flug sehr wohl manipulieren. Als wichtigsten Grundsatz könnte man daher resümieren - und da unterscheiden sich die manntragenden Flieger wieder mal in keinster Weise von unseren Modellflugzeugen -, und die wichtigste Regel jedem Piloten einbläuen:

Fahrt ist das halbe Leben - also fliegt auch danach...