Flugzeuge (im weitesten Sinne) können sich nur in der Luft halten, wenn
sie einen Auftrieb erzeugen, der gleich der Gewichtskraft und ihr
entgegen gerichtet ist.
Ballons und Luftschiffe verdrängen Luft durch
Auftriebskörper, die leichter als die umgebende Luft sind, und erzeugen
ihren Auftrieb daher ganz ähnlich wie Schiffe im Wasser. Deswegen sagt
man auch, dass diese „Flugzeuge leichter als Luft“ nicht fliegen,
sondern „fahren“.
Flächenflugzeuge und Helikopter sorgen jedoch
aerodynamisch für Auftrieb. Die hebende Kraft entsteht dadurch, dass die
Tragflächen bzw. die Rotorblätter die umgebende Luft nach unten
beschleunigen. Dahinter steckt nichts anderes als das Newtonsche
Wechselwirkungsgesetz („Actio = Reactio“) oder das Rückstoßprinzip.
Verwirrung stiftet häufig die Frage, wie diese Umlenkung der Luft und
die Kraftübertragung auf den Flügel erfolgen. Der Hauptteil der Arbeit
wird hierbei durch den Anstellwinkel der Tragfläche bewirkt, also
einfach dadurch, dass die Fläche mit leicht angehobener
Profilvorderkante im Wind steht. Außerdem bewirkt die gewölbte Profilform einen so genannten Anfahrtswirbel an der Flügelhinterkante.
Er erzeugt – einem Zahnrad ähnlich – eine zirkuläre Umströmung der
Tragfläche. Sie überlagert sich mit der Horizontalbewegung des Flügels,
so dass auf der Oberseite die Strömungsgeschwindigkeit insgesamt größer
ist als auf der Unterseite. (Häufig wird behauptet, die unterschiedlich
langen Wege auf der Ober- und Unterseite der Tragfläche seien für die
verschiedenen Geschwindigkeiten verantwortlich. Dies ist jedoch falsch.
Der Geschwindigkeitsunterschied ist sogar wesentlich größer als der
Wegunterschied!) Nach dem Prinzip von Bernoulli ist der Druck dort am
niedrigsten, wo die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten ist. Also
herrscht auf der Flügeloberseite ein geringerer Druck als auf der
Unterseite. Die Druckdifferenz ist die Ursache für die Auftriebskraft.
Gleichzeitig wird durch den Unterdruck auf der Oberseite Luft von oben
nachgesaugt bzw. durch den Überdruck auf der Unterseite nach unten
weggedrückt.
Das hat die weiter oben erwähnte Beschleunigung der Luft
nach unten zur Folge, die bei einem landenden Hubschrauber besonders
eindrücklich zu beobachten ist. Noch einmal kurz zusammen gefasst: Der
Anstellwinkel und die Profilform sind dafür verantwortlich, dass es an
der umströmten Tragfläche eine Druckdifferenz zwischen der Ober- und der Unterseite gibt. Diese hebt den Flügel und beschleunigt gleichzeitig die Umgebungsluft nach unten.
Einige Links zum Thema:
Eher aus Pilotensicht:
http://www.av8n.com/how/#contents
Misinterpretation of Bernoulli, Physics of Flight:
http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/
Irrotational Flow mit animierten "gif"s:
http://www.av8n.com/irro/lecture_e.html
DIE Koordinatenseite:
http://www.ae.uiuc.edu/m-selig/ads/coord_database.html
Programm zum ausrechnen der Druckverteilung:
http://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/
Die Nasa:
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/short.html
Deutsch:
Physik des Fliegens für die Schule:
http://www.aniprop.de/
Wie immer und mit vielen Links … Wikipedia:
http://de.wikipedia.org/wiki/Tragfl%C3%A4che
Vielen Dank an Michael Bauer für diese FAQ und Krokodi für die Links 