Strömungslehre & Auftrieb

Wie trägt ein Flügel ein Flugzeug von 1000 kg? Wenn du das verstanden hast, erklärt sich vieles von selbst: warum du im Langsamflug mehr ziehen musst, warum Landeklappen die Mindestgeschwindigkeit senken und warum an einem heißen Tag die Startstrecke länger wird.

Kontinuität und Bernoulli

Strömt Luft durch eine Verengung, muss dieselbe Luftmenge pro Sekunde durch einen kleineren Querschnitt – sie wird schneller (Kontinuitätsgesetz: Querschnitt × Geschwindigkeit = konstant). Nach Bernoulli bleibt dabei die Summe aus statischem Druck und dynamischem Druck (Staudruck) gleich; diese Summe ist der Gesamtdruck. Steigt die Geschwindigkeit, wächst der Staudruck, also muss der statische Druck sinken. Dieses Prinzip nutzt zum Beispiel der Vergaser mit seiner Venturidüse.

Der Staudruck ist q = ½ · ρ · v², mit der Luftdichte ρ und der Geschwindigkeit v. Genau diesen Staudruck misst dein Fahrtmesser.

Wie der Flügel Auftrieb erzeugt

Ein gewölbtes Profil, das unter einem Winkel angeströmt wird, beschleunigt die Luft über der Oberseite: Dort entsteht Unterdruck. An der Unterseite wird die Luft leicht gestaut, es entsteht Überdruck. Gleichzeitig lenkt der Flügel die Luft nach unten ab. Beides beschreibt denselben Vorgang, und das Ergebnis ist eine Kraft nach oben: der Auftrieb. Den größeren Anteil liefert der Unterdruck auf der Oberseite.

Drei Begriffe solltest du sicher trennen: Die Profilsehne verbindet Vorder- und Hinterkante. Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen Profilsehne und Anströmrichtung. Der Einstellwinkel ist der feste, konstruktiv vorgegebene Winkel zwischen Profilsehne und Flugzeuglängsachse.

Die Auftriebsformel

Auftrieb = cA · ½ · ρ · v² · S. Darin ist S die Flügelfläche und cA der Auftriebsbeiwert. Er hängt vom Profil und vor allem vom Anstellwinkel ab: Mehr Anstellwinkel bedeutet mehr cA – bis zum kritischen Anstellwinkel mit cA max. Darüber kann die Luft der Oberseite nicht mehr folgen, die Strömung reißt ab. Mit wachsendem Anstellwinkel wandert außerdem der Druckpunkt eines gewölbten Profils nach vorn, bis kurz vor dem Abriss.

Landeklappen

Landeklappen vergrößern die Wölbung des Profils, manche Bauarten (Fowlerklappen) zusätzlich die Fläche. Dadurch steigt cA max, und der nötige Auftrieb wird schon bei geringerer Geschwindigkeit erreicht: Die Überziehgeschwindigkeit sinkt. Gleichzeitig steigt der Widerstand. Das erlaubt steilere Anflüge, verschlechtert aber die Steigleistung.