Die vier Luftkräfte

Jahrhunderte lang haben sich Erfinder und Wissenschaftler um ein Verständnis der Grundprinzipien des Fliegens bemüht.

Und auch heute noch diskutieren Experten über Details der Aerodynamik, deren Kenntnis allerdings noch keinen guten Piloten ausmacht. Piloten müssen nur einige wenige Grundkonzepte verstanden haben und anwenden können, allen voran die vier Kräfte, die auf ein Flugzeug im Flug einwirken: Auftrieb, Gewicht, Schub und Luftwiderstand. Diese vier Kräfte greifen paarweise am Flugzeug an: Der Auftrieb wirkt entgegengesetzt zum Gewicht (genau genommen zur Summe aller nach unten gerichteten Kräfte), und der Schub wirkt dem Luftwiderstand entgegen. Im stationären Flug heben sich die entgegengesetzt gerichteten Kräfte auf.

Zu den stationären Flugzuständen zählen der horizontale Geradeausflug sowie Steig- und Sinkflüge mit konstanter Steig- und Sinkrate und konstanter Geschwindigkeit. Man kann sich das Zusammenspiel der vier Kräfte so vorstellen, dass alle Kräfte in einem einzigen Punkt angreifen, dem so genannten Schwerpunkt.

Auftrieb

Auftrieb ist die Kraft, die ein Flugzeug zum Fliegen bringt. Der größte Teil des Auftriebs wird von den Tragflächen erzeugt.

Wie viel Auftrieb eine Tragfläche erzeugt, können Sie durch die Fluggeschwindigkeit und den Anstellwinkel - also den Winkel, unter dem die Luft den bewegten Flügel anströmt - bestimmen. Grundsätzlich gilt, dass der von den Tragflächen erzeugte Auftrieb umso größer wird, je mehr die Geschwindigkeit oder der Anstellwinkel des Flugzeugs zunehmen. Je mehr die Fluggeschwindigkeit zunimmt, desto mehr müssen Sie den Anstellwinkel verringern (indem Sie die Nase leicht nach unten nehmen),

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um eine konstante Höhe zu halten. Umgekehrt ist es beim Abbau der Fluggeschwindigkeit: Je langsamer die Maschine wird, desto mehr müssen Sie den Anstellwinkel erhöhen (indem Sie die Nase leicht hochziehen). Hierdurch erzeugen Sie den zusätzlichen Auftrieb, den Sie benötigen, um die Höhe zu halten.
Denken Sie daran, dass der Auftrieb auch dann etwa genauso groß ist wie das Gewicht, wenn Sie sich im Steig- oder Sinkflug befinden. Die Steig- bzw. Sinkrate eines Flugzeugs hängt vor allem vom Schubab, den die Propeller oder Triebwerke liefern, nicht aber von dem durch die Tragflächen erzeugten Auftrieb.

Gewicht

Die Gewichtskraft wirkt dem Auftrieb entgegen. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass die Gewichtskraft stets entlang einer Linie wirkt, die vom Schwerpunkt des Flugzeugs zum Erdmittelpunkt verläuft.
Auf den ersten Blick könnte man nun meinen, dass sich das Gewicht im Flug nur ändert, wenn das Flugzeug Treibstoff verbraucht. Tatsächlich aber erfährt das Flugzeug bei Flugmanövern Schwankungen des Lastenvielfachen, d.h. des Vielfachen der Erdbeschleunigung g. Diese Schwankungen bewirken, dass sich die von den Flügeln zu tragende Belastung ändert. In einer Kurve mit 60° Querneigung beispielsweise wirkt auf ein Flugzeug ein Lastvielfaches von 2 g, also die doppelte Erdbeschleunigung. Wiegt dieses Flugzeug in Ruhestellung am Boden 1.000 kg, so steigt sein effektives Gewicht im Kurvenflug mit 60° Querneigung auf 2.000 kg.
Damit Auftrieb und Gewicht bei Flugmanövern ausgeglichen bleiben, müssen Sie den Anstellwinkel entsprechend anpassen. In einer Steilkurve z.B. müssen Sie die Nase (durch Erhöhen des Anstellwinkels) leicht anheben, um den Auftrieb zu erhöhen und so das größere effektive Gewicht zu kompensieren.

Schub

Der vom Flugzeugtriebwerk erzeugte Schub (Vortrieb) bewegt das Flugzeug durch die Luft. Er wirkt entgegengesetzt zum Luftwiderstand und hebt diesen im stationären Geradeausflug genau auf. Wenn Sie den Schub erhöhen und dabei die Höhe beibehalten, übersteigt der Betrag der Schubkraft kurzzeitig den des Luftwiderstands, so dass das Flugzeug beschleunigt wird. Da aber auch der Luftwiderstand mit steigender Geschwindigkeit zunimmt, sind die durch den Schub und den Luftwiderstand hervorgerufenen Kräfte bald wieder gleich groß: Das Flugzeug wird nicht weiter beschleunigt und geht wieder in den stationären Flug über; jetzt aber mit einer höheren, konstanten Fluggeschwindigkeit.
Der Schub ist zudem der wichtigste Einflussfaktor für die Steigfähigkeit Ihres Flugzeugs. So hängt die maximal erzielbare Steigrate eines Flugzeugs nicht in erster Linie vom Auftrieb ab, den die Tragflächen erzeugen. Entscheidend ist hier vor allem, wie viel mehr Leistung das Triebwerk liefern kann, als für den Flug in konstanter Höhe benötigt wird.

Im Gegensatz zu einem Motorflugzeug ist ein Segelflugzeug ein für motorloses Fliegen (Steigen im Aufwind beziehungsweise Gleiten mit geringem Höhenverlust) konstruiertes Luftfahrzeug. In Deutschland werden Segelflugzeuge luftrechtlich als eigene Luftfahrzeugklasse gewertet und dürfen maximal 750 kg wiegen. Damit ein Segelflugzeug fliegen kann, muss es Höhe (d. h. Energie) in Flugstrecke umwandeln. Im Prinzip kann man aber jedes Flugzeug als Segelflugzeug verwenden (was in Notfällen auch gelegentlich gemacht wird).

Luftwiderstand

Auf ein Flugzeug wirken zwei Arten von Luftwiderstand. Profilwiderstand entsteht durch die Reibung zwischen der Luft und der Flugzeugstruktur, zu der das Fahrwerk, Verstrebungen, Antennen und vieles mehr gehören. Der Profilwiderstand steigt mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit; beim Verdoppeln der Geschwindigkeit steigt der Profilwiderstand also bereits auf das Vierfache. Induzierter Wiederstand ist ein Nebenprodukt, das bei der Auftriebserzeugung anfällt. Er entsteht, wenn die Luft, die einen Tragflügel umströmt, aus dem Überdruckbereich auf der Flügelunterseite in den Unterdruckbereich auf der Flügeloberseite gelangt. Dieser Effekt ist bei niedrigen Geschwindigkeiten am stärksten ausgeprägt, wenn zum Kompensieren der Gewichtskraft ein hoher Anstellwinkel erforderlich ist. Der induzierte Widerstand ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit; wenn Sie die Fluggeschwindigkeit also halbieren, steigt der induzierte Widerstand auf das Vierfache.