Der jahrtausende alte Traum vom Fliegen erfüllte sich. Jedoch nur pragmatisch, also ohne dabei zu erkennen, warum es geht.
Etwas Kennen und etwas Können und etwas Wissen sind leider gänzlich unterschiedliche und sogar autarke Dinge. "Wir können es berechnen, wissen aber nicht, warum es so ist" beschreibt, wie die heutigen Probleme in der Physik aussehen:
Es fehlt das Wissen!
Die Entwicklung der Theorie für das Fliegen ist ein Paradebeispiel dafür, wie dadurch in der Physik etwas so richtig schief gehen kann. Mit der Technik aus dem Kennen und Können wurden Theorien geboren, die das Fliegen erklären sollen. Sie sind aber so mängelbehaftet, daß sie weder nachvollzieh- noch gar verstehbar sind. Sie sind in www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong1.html und folgende aufgeführt und als falsch deklariert. Die richtige Theorie ist der NASA aber auch nicht bekannt.
Diese falschen Theorien führten dazu, daß Fliegen nicht lehrbar ist: Kein Lehrbuchschreiber kann das Fliegen verständlich darstellen. Daraus entstand die Aussage, daß die Physik des Fliegens komplex sei. Nur die technische Handhabung für den Pragmatismus zum Bauen von Flugzeuge funktioniert.
Die Natur funktioniert aber aus prinzipiell einfachen Ursache-Wirk-Prinzipien. Das einfache Prinzip des Fliegens wird hier vorgestellt und ist für jedermann mit Interesse nachvollziehbar. Aus diesem Prinzip entsteht auch die für jedermann nachvollziehbare Formel für den Auftrieb, die nur Mittelschulkenntnisse benötigt.
Weitere Publikationen des Autors:
Die neue Physik, Wie Physik endlich zu Wissenschaft wird, Physikirrungen
www.flugtheorie.de
www.kosmosphysik.de
www.physicsfuture.org
Zur Einleitung am Anfang die grundsätzliche Aufteilung von Luftfahrzeugen. Es wird unterschieden zwischen denen, die leichter und denen, die schwerer sind als Luft.
Ballons und Luftschiffe sind Fluggeräte leichter als Luft, die in ihr schwimmen wie Fische im Wasser. Sie benötigen keinerlei Energie, um sich auf Höhe halten zu können. Deswegen steigen sie auch schon von allein auf, da sie leichter sind als das gleiche Volumen ihrer Größe an Luft wiegen würde. Jedoch nur beim Luftschiff mit seinen Propellern ist ein gezielter Richtungsflug möglich. Die unhandliche Größe und die zu langsame Fluggeschwindigkeit verhindern jedoch einen wirtschaftlichen Erfolg.
Diese Luftfahrzeuge schweben statisch, fliegen also nicht. Auch ihre eventuelle Vorwärtsgeschwindigkeit überführt den Schwebezustand nicht in einen Flugzustand. Deswegen spricht man hier von fahren. Diese Bezeichnung stammt natürlich aus der Flugvorzeit, als es nur Ballons gab und gedanklich die Kutschfahrt auf der Straße zur Luftfahrt in der Luft wurde.
Das soll zur Darstellung der `Nicht-Flugzeuge´ genügen. Unser Interesse soll nur den Luftfahrzeugen gelten, die schwerer als Luft sind. Diese bleiben nicht statisch oben, sondern müssen sich durch Energieeinsatz oben halten.
Gegenüber dem passiven Obenbleiben in der Luft ist Fliegen also ein aktiver Vorgang. Statt der Unterscheidung statisch und dynamisch kann demnach auch passiv und aktiv als Unterscheidungsmerkmal benutzt werden.
Zum Fliegen gehört, daß das Fluggerät bzw. wie beim Hubschrauber zumindest die Flügel gegenüber der Luft immer in Bewegung gehalten werden müssen. Ansonsten würden diese Geräte abstürzen. Bereits beim Start brauchen Luftfahrtgeräte schwerer als Luft erhebliche Energie, um überhaupt erst einmal abheben zu können. Deutlich wird das an dem unüberhörbar lauteren Motorenlärm während des Startvorgangs als später in der Luft bei Reisegeschwindigkeit.
Auch Segelflugzeuge brauchen eine Starthilfe, um dann jedoch scheinbar ohne Energieeinsatz lange Zeit in der Luft fliegen können. Sie werden entweder durch eine Seilwinde, ein Motorschleppflugzeug oder mit eigenem Hilfsmotor auf Höhe gebracht. Danach aber holt sich der Segler die nötige Energie zum Obenbleiben aus dem Wettergeschehen in der Luft selbst. Findet er diese Energiequellen nicht mehr, sinkt er langsam tiefer und muß landen.
Energie aus der Luft läßt sich ausnutzen im aufsteigenden Wind an Berghängen. Ebenfalls in örtlichen wärmeren und deswegen hoch steigenden Luftströmen (Thermik), die manchmal am Boden durch die nachfließende Luft als Windhose sichtbar wird. Weiter im aufsteigenden Teil von wellenförmigen Luftschwingungen (ähnlich wie Wasserwellen über unebenem Untergrund, Fachausdruck in der Fliegersprache:" Welle fliegen"). Diese "Wellen" bilden sich unsichtbar parallel neben quer vom Wind angeblasenen ebenfalls parallelen Gebirgszügen.
Zuletzt noch die vom Albatros (Meeresvogel mit der größten Spannweite aller Vögel auf der Erde) angewandte Methode. Er nutzt die unterschiedliche Windgeschwindigkeit zwischen der abgebremsten untersten Zone dicht über der Erd-(Wasser-)oberfläche und dem vollen Wind etwas höher. Auch mittels Ausnutzung der Wellenkamm-Berge. Hierzu fliegt er in eleganten Manövern von unten aus der ruhigen Zone frontal gegen die Windrichtung nach oben und auch umgekehrt mit `Rückenwind´ in die untere mehr stehende Luft hinein. Dieser Albatrosflug ist flugtechnisch nicht nutzbar, da eine hohe Feinfühligkeit für die Windsituation der allernächsten Umgebung und hohe Wendigkeit erforderlich ist. Im übrigen wären diese Tiefflugaktionen weder erlaubt noch einem normal fühlenden Mitbürger als Passagier zuzumuten.
Nach diesem Überblick der bekannten Flugmöglichkeiten steigen wir nun gemeinsam in das Geheimnis des Fliegens ein, wobei wir darauf achten wollen, den Überblick über das Ganze nicht zu verlieren. Denn, es ist nicht möglich, weder aus einem einzigen noch mehreren beobachtbaren Teilen nahe am Flugzeug das Ganze, das Übergeordnete zu erkennen. Das geht prinzipiell nur aus der Sicht in das Ganze hinein, also von oben aus.
Es nützt dabei nichts, im Flugzeug zu erkennen, daß einem da der Wind die Ohren wegblasen will. Erst von oben, das heißt aus der Entfernung, ist zu sehen, daß nicht der Wind an den Ohren rüttelt, sondern daß die Ohren mit dem Pilot und seinem ganzen Flugzeug sich durch die Luft bewegen. Die sind aktiv, nicht die Luft!
Um auf die fundamentale Ursache der Möglichkeit des Fliegens zu kommen, gehen wir bis zu den Anfängen des Mobilseins zurück. Solange nicht physikalisch klar ist, wie etwas so Selbstverständliches wie Laufen funktioniert, werden wir das Ungewöhnliche des Fliegens auch nicht verstehen. Es beginnt weit weg von unserem Alltag. Man stelle sich einen Menschen vor, der im Weltall schwebt. Ganz allein. Was hat dieser für Möglichkeiten, etwas zu tun? Er kann schauen, er kann sich krümmen, er kann sich zwar mit viel Geschick durch Körperbewegungen seine Lageposition ändern. Das ist aber schon das Alleräußerste. Er kann sich aber nicht einen einzigen Millimeter von seiner Stelle fortbewegen.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, daß eine Änderung unserer Lage nur durch Stützen, Drücken, Ziehen oder Drehen gegen unsere am besten feste Umgebung möglich ist. Das gilt insbesondere für die Absicht, sich fort zu bewegen. Es geht nur, wenn etwas anderes vorhanden ist, von dem man sich abstoßen kann. Beim Laufen tun wir das mit den Füßen gegen die Erdoberfläche. Dieses Abstoßen hat jedoch für das Teil, gegen das wir stoßen, auch Folgen: Es wird von uns aus gesehen zurück gedrückt. Der riesengroßen Erde merkt man das natürlich nicht an. Müssen wir aber von einem leichten Boot an Land springen, so wird dieses nach hinten gestoßen. Wir erhalten, wenn es genauso viel wiegt wie wir selbst, nur den halben Schwung nach vorn und fallen dabei womöglich ins Wasser.
Damit ist die grundlegende Erkenntnis gewonnen, daß Fortbewegungen eines Körpers ohne Kontakt zu einem anderen nicht möglich sind. Diese Voraussetzung für unsere Mobilität ist durch das Dasein auf der Erde mit ihrer Anziehungskraft auf uns so selbstverständlich, daß sie im täglichen Leben nicht mehr wahrgenommen wird. Der hypotetische einsame Mensch im All hat jedoch keine Materie in greifbarer Nähe. Also hat er auch keine Chance, sich von dieser abstoßend seinen Platz zu verlassen.
Befindet er sich jedoch in der Nähe eines Himmelskörpers, z. B. der Erde, so geschieht etwas anderes. Er wird durch deren Schwerkraft angezogen und bewegt sich deswegen auf diese zu. Je näher er ihr kommt, um so schneller. Der Vergleich beider Fälle ergibt folgendes: Ohne Anziehungskraft eines Himmelskörpers kommt unser Mensch nicht vom Fleck. Mit Erdanziehung kann er nicht an einer Stelle bleiben. Im ersten Fall fehlt ihm greifbare Masse zum Fortkommen und im zweiten fehlt ihm das gleiche, um sich vor dem Absturz zu retten.
Setzen wir unseren Menschen aber in eine Rakete, so kann er mit deren Hilfe folgendes machen: Die Rakete hat Treibstoff im Bauch. Mit deren Masse kann er nun hantieren. Stößt sich der verbrannte Treibstoff der Düse in Richtung Erde aus, so drückt dieser damit die Rakete samt Insassen von ihr weg. Wird nur soviel `Gas´ gegeben, daß die Vortriebskraft durch die nach unten geschleuderten Verbrennungsgase gleich groß wie die Anziehungskraft der Erde ist, so bleibt das Ganze in dieser Entfernung, sprich Höhe, stehen.
Wir stellen fest: Durch dauerndes Abstoßen von Masse (Treibstoffverbrennungsgase) nach unten kann sich unser Mensch in einer Höhe halten. Leider nur solange, wie der Vorrat reicht. Befindet er sich aber schon in der Lufthülle der Erde, so hat er erstmals Masse um sich herum: die Luft. Diese ist für ihn zwar nicht mit Händen und Füßen direkt greifbar, mit geeigneten Hilfsmitteln könnte er jedoch genügend davon als Abstoßmasse nach unten stoßen, um oben zu bleiben.
Die Erkenntnis daraus ist für das Flugproblem:
Das heißt: Alle Flug-Insekten, Vögel, Hubschrauber und Flugzeuge befördern im Flug stetig Luft nach unten.
Bei unseren technischen Fluggeräten ist das am anschaulichsten beim Hubschrauber zu beobachten: Mit seinen Rotoren schaufelt er pausenlos Luft abwärts wie ein Ventilator. Einem aufmerksamen Beobachter wird es bei schwülem Wetter auch nicht entgehen, daß ihn eine dicht über seinem Handrücken fliegende Wespe oder noch besser Hummel einen deutlichen Luftstrahl nach unten auf der feuchten Hautoberfläche spüren läßt!
Was ist überhaupt Luft?
Luft ist nicht sichtbar, sie ist nicht schmeckbar und sie ist nicht fühlbar, es sei denn, man rennt oder fährt durch sie hindurch oder sie bläst einen an.
Dabei hat Luft ein Gewicht! Jeder Kubikmeter wiegt etwa 1,3 Kilogramm. Nimmt man eine große Pappe, etwa in Quadratmetergröße, und schiebt sie quer durch die Luft, so spürt man deutlich, daß da was gegen wirkt. Es ist das Gewicht der Luftmenge, die man mit der Pappe wegschieben will.
Will man mit dem Fahrrad schnell fahren, so wird das begrenzt dadurch, daß die Kraft der Luft, die man dann vor sich wegschieben muß, so groß wird, wie man nur gegen drücken kann. Bei starkem Gegenwind ist Radfahren fast wie Bergsteigen.
Hätte die Luft keine Gewicht, also keine Masse, könnte nichts fliegen. Weder Vögel, Insekten und schon gar nicht Flugzeuge.
Wäre die Luft sichtbar, so würde man hinter einem Flugzeug sehen, was es mit der Luft gemacht hat, wie im folgenden Bild zu sehen.
Es bringt Luft in großen Wirbeln zum Drehen. Warum Wirbel und was Ursache und was Wirkung dabei ist, ist Inhalt diese Buches und wird noch eingehend dargestellt.
In diesem Kapitel sollen die Möglichkeiten dargestellt werden, wie wir uns selbst mit eigenen Armen und/oder Beinen ohne festen Boden unter den Füßen `oben halten´ können. Das geht aus seit jeher enttäuschender Erfahrung außer im Traum natürlich nicht in der Luft. Aber im Wasser! Untersuchen wir das Geschehen dort.
Im Gegensatz zur Luft sind Reaktionskräfte bei Bewegungen darin für uns direkt spürbar. Da es physikalisch keinen Verhaltensunterschied zwischen beiden gibt, erlaubt dieser Vergleich eine fehlerfreie Übertragung auf die Luft.
Wir befinden uns im Schwimmbecken. Was interessiert, ist nicht vor- oder rückwärts zu schwimmen, sondern wir stehen auf der Stelle. Solange wir untätig bleiben, wird unser Körper so tief absinken, bis nur noch ein kleiner Teil des Kopfes herausschaut. Je mehr Luft in die Lunge eingeatmet wurde, um so mehr schaut heraus. In dieser Lage herrscht Gleichgewicht. Dem entspricht in der Luftfahrt der schwebende Ballon. Untersuchen wollen wir aber etwas anderes, nämlich den Zustand, daß der Kopf möglichst hoch aus dem Wasser ragt. Mit Hilfe des uns umgebenden Wassers (es ist ja sonst nichts da) müssen wir nun ein Absinken gegen das weiter herausragende Gewicht verhindern. Dem entspricht in der Luftfahrt das Luftfahrzeug schwerer als Luft. Es gilt also Bewegungen zu finden, um Kräfte zu erzeugen, die uns hoch heben. Diese sind bekannt.
Die Methode mit den Füßen. Wir führen eine Art Strampel- bzw. Leitersteigbewegungen durch, Wassertreten genannt: Ein Fuß nach dem anderen wird in einer möglichst senkrechten Lage nach oben und dann in möglichst flacher Lage nach unten gestampft. Wir treten in der Abwärtsbewegung im wahrsten Sinne des Wortes auf das unter dem Fuß befindliche Wasser.
Was passiert hierbei?
Beim Aufwärtsziehen gleitet der Fuß durch seine senkrechte Haltung ohne viel Widerstand nach oben. Dann kommt die möglichst schnelle Abwärtsbewegung. Die mit dem Fuß tretbare und die oberhalb des Fußes durch Saugwirkung mitgerissene Wassermenge wird nach unten beschleunigt. Beschleunigen heißt hier, diese Wassermasse aus der Ruhelage auf eine Abwärtsgeschwindigkeit zu bringen.
Das Wasser muß also angeschoben werden. Zum Schieben muß man sich aber gegen irgend etwas abstützen. Und das tut man in diesem Moment gegen das zu weit herausragende Gewicht des Kopfes. Von anderer Seite betrachtet heißt das: Durch die `Schiebe´kraft, mit der das Wasser nach unten beschleunigt wird, kann das Gewicht des Kopfes über der Wasseroberfläche gehalten werden. Daraus ist zu erkennen, daß, wenn Masse von sich weggestoßen wird (hier nach unten), diese gegen das Anschieben (Beschleunigen) zurück drückt und der Körper dadurch gehoben wird: das nennt man Rückstoß.
Wir können in dieser Situation im Wasser stehend soviel Körpergewicht (Kopf, Hals und vielleicht auch Schulter) aus dem Wasser hochhalten, wie wir auf Grund der Menge des hinab gestampften Wassers Rückstoßkräfte erhalten.
Für Leser, die es gern genau nehmen, eine physikalische Präzisierung. Der Rückstoß entsteht nur in der Zeit, in der das Wasser durch den Fuß aus der Ruhelage auf die Abwärtsbewegung beschleunigt wird. Wie weit es danach noch mit gleichbleibender Geschwindigkeit runter geschoben wird, spielt keine Rolle mehr.
Damit haben wir jetzt eine Lösung, in einem Medium ohne festen Halt (Wasser, Luft) Kräfte zu erzeugen, um oben zu bleiben, nämlich Teile des Mediums selbst in ihm nach unten zu beschleunigen, um Rückstoßkraft nach oben zu erzeugen.
Nun die Methode mit den Händen.
Es ist die elegantere und angenehmere: Beide Hände werden (Handflächen nach unten) vor dem Körper waagerecht etwas unter der Wasseroberfläche mit den Armen abwechselnd nach aus- und einwärts hin und her geschwenkt. In beiden Richtungen wird hier der anschließend erklärte Effekt zum Hochhalten des Körpers mit den Handflächen im Wasser erreicht. Es gibt also keine Leerbewegung wie das Hochheben der Füße beim Wassertreten. Wie funktioniert nun diese Methode?
Die Finger sind aneinander gelegt und bilden zusammen mit dem Handteller eine ebene Fläche. Nomen est omen: Fläche wie Tragfläche. Es wird sich auch gleich erweisen, daß sie uns tatsächlich trägt. (Jedenfalls im Wasser.) Der `Trick´ liegt darin, daß die Handfläche leicht schräg gehalten wird. Schwimmer machen es intuitiv richtig, nämlich so, daß das Wasser dabei nach unten gedrückt wird. Nichtschwimmern sei gesagt, daß die Schräge so sein muß, als wolle man in beiden Richtungen etwas glattstreichen und mit den Handflächen darauf aufgleiten. Die Hände werden etwas unter der Wasseroberfläche bewegt. Durch die Schräge wird das Wasser zu einer Ausweichbewegung nach unten gezwungen. Es wird also auch hier nach unten beschleunigt: Wie vorher mit den Füßen. Desgleichen wird auch auf der Oberseite Wasser mit nach unten gesogen. Auch hier hebt uns die zur Beschleunigung notwendige Kraft des Ansaugens von Wasser mit dem Handrücken ebenfalls. Schnellere horizontale Bewegungen und maßvolle Erhöhung der Schräge der Handflächen erhöht die erzeugte Rückstoßkraft nach oben und wird im Schultergelenk deutlich spürbar.
Noch einmal präzise: Die von der schrägen Handfläche beeinflußte und vorher ruhende Wassermenge unter und über der Handfläche wird durch die horizontale Bewegungsgeschwindigkeit an der Schräge entlang nach unten beschleunigt und drückt uns durch den Rückstoß hoch. Auch hier hält uns also wie bei der Fußmethode der Rückstoß der mit den Handflächen nach unten beschleunigten Wassermasse oben.
Damit sind uns nun Methoden bekannt, die es uns bei nicht festem Untergrund ermöglichen, einen Teil unseres Gewichtes gegen die nach unten ziehende Schwerkraft auf `Höhe´ zu halten. Ganz oben, wie es ein bestimmter Wasservogel beim `Hochzeitstanz´ machen kann, indem sie mit ihren relativ großen Schwimmfüßen durch ganz schnelles Wassertreten richtig gehend auf ihm laufen können, schaffen wir es jedoch nicht.
Die Anwendung der Handmethode durch die auflaufend gestellten Fußsohlen erlaubt dieses dennoch, wenn durch die entsprechende Geschwindigkeit mit Hilfe eines Motorbootes damit Wasserski `gelaufen´ wird.
Dieses nunmehr erlangte Wissen läßt sich jetzt grundsätzlich übertragen auf die Verhältnisse in der Luft. Die große Erkenntnis daraus lautet:
Jedoch müssen die Bewegungsgeschwindigkeiten und die benötigten Flächen wesentlich größer sein. Auch die Tierwelt macht von den genannten Methoden Gebrauch: Ganz stilrein wenden die hübschen Kolibries und bei heimischen Vögeln am besten die Meisen mit ihren Flügeln die Handmethode an.
Sein Aussehen ist bekannt. Der Rumpf ist zur Aufnahme von Pilot und Passagieren und zur Verbindung der Tragflächen mit den Steuerflächen für Höhe und Seite da. Diese befinden sich am Heck. Bei den sogenannten Entenflugzeugen ist das Höhenruder ausnahmsweise am Bug. dabei hilft dieses sogar mit, Auftriebskraft zu erzeugen, während das Höhenruder an normalen Flugzeugen aus Stabilitätsgründen sogar Abtrieb erzeugt. Warum? Damit das Flugzeug bei zu langsamem Flug nicht nach hinten, sondern nach vorn in des Sturzflug geht.
Allerdings gibt es auch Nurflügelflugzeuge. Sie haben keinen Rumpf oder nur eine kleine Kapsel für einen Piloten. Passagiere könnten nur in den dicken Flügeln sitzen. Es waren aber alle eher Studienobjekte, die die Unzweckmäßigkeit solcher Flugzeuge aufzeigten.
Die Hauptsache eines Flugzeugs sind natürlich die Flügel. Deswegen heißen sie ja auch so, sie ermöglichen das Fliegen.
Wie machen sie das?
Aus all dem vorher Gesagten kann es jetzt nur eine Antwort geben: Die Tragflächen müssen Luft ergreifen und nach unten schaufeln. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß das nicht funktioniert, wenn sie ruhig in der Luft stehen. Vögel können mit ihren beweglichen Flügeln auf der Stelle losflattern. Das Flugzeug jedoch braucht einen Antrieb, der es vorwärts zieht oder schiebt, damit die starren Flügel aktiv werden können. Antriebsarten sind Turbinenmotoren mit Ausströmdüse, Turbinenmotoren mit Propeller, auch beides zusammen (die sogenannten Fan-Triebwerke) und die klassischen Kolbenmotoren mit Propeller.
Die Flügel des Flugzeuges übernehmen dann die gleiche Funktion wie die Hände im Wasser. Auch sie müssen etwas schräg nach vorn `hochgestellt´ sein. Der Winkel der Schräge zur Horizontalen wird mit `Anstellwinkel´ bezeichnet. Damit ist die Hinterkante tiefer als die Vorderkante. Durch die Vorwärtsbewegung wird somit Luft nach unten gedrückt.
Der Umfang der beeinflußten Luftmenge ist erstaunlich groß. Es ist nicht nur das bißchen Höhe, welches sich aus der sogenannten Anstellung des Flügels ergibt. Die durch ihn zwangsweise nach unten gedrückte Luft muß die unmittelbar darunterliegende Luft mit runter drücken und so weiter.
Damit über der Flügeloberfläche nach oben hin kein Loch entsteht, fließt natürlich die darüber befindliche Luft nach. Diese ihrerseits saugt wieder die darüber befindliche an und so weiter. Darüber später mehr.
Sprechen wir zunächst über die Flügelformen. Die bekannten klassischen gera-den Flügel sind für langsamere Flugzeuge geeignet. Die nach hinten gepfeil-ten sind bei schnellen düsengetriebenen am besten. Es gilt, wie damit schon angedeutet: Je schneller, um so gepfeilter. Man kann also schon von ihrer Form auf die erreichbare Geschwindigkeit eines Flugzeuges schließen. Das dokumentiert sich am augenfälligsten an der Concorde. Sie als schnellstes Verkehrsflugzeug mit doppelter Überschallgeschwindigkeit hat die spitzeste Pfeilform. Im Prinzip ein langgestrecktes Dreieck. Im militärischen Bereich spricht man bei dreieckförmigen Flügelgeometrien Bauart von `Deltaflugzeugen´.
Es leuchtet wohl ein, daß mit ganz kurzen Stummelflügeln nicht mehr langsam geflogen werden kann. Die in der Breite greifbare Luftmenge wird mit kleinerer Spannweite ja weniger. Zum Ausgleich dafür muß Luft dann entsprechend schneller nach unten geschaufelt werden. Und das bedingt dann eine höhere Fluggeschwindigkeit. Bei höherer Geschwindigkeit wird Luft aber nicht nur schneller nach unten gestoßen, sondern pro Sekunde auch viel mehr, was weiter mit hilft, größere Gewichte zu tragen.
Man könnte nun meinen: Wie schön, ich will ja schnell fliegen! Leider hat die Sache aber einen Haken. Es muß auch mal gestartet und gelandet werden, ohne einen zehn Kilometer langen Flugplatz zu benötigen. Die Forderungen nach hoher Geschwindigkeit in der Luft und kleinere bei Start und Landung beißen sich aber. Das eine schließt das andere eigentlich aus. Für die Konstrukteure bedeutet es enorme Denkarbeit. Ein langsames Flugzeug mit kurzer Start/Landestrecke ist einfach zu konstruieren. Ein schnelles jedoch auf möglichst kurzer Bahn starten und landen zu lassen, führt immer zu irgend welchen Kompromißlösungen. Verkehrsflughäfen haben heute Start/Landebahnen von etwa drei Kilometern Länge.
Bei Militärflugzeugen kommt darüber hinaus noch eine Forderung hinzu, nämlich bei mittleren Geschwindigkeiten eine hohe Wendigkeit zu besitzen. Das hat auch zum Bau von schwenkbaren Flügeln geführt. Nach hinten seitlich an den Rumpf gelegt erhält das Flugzeug eine hohe Geschwindigkeit bei der dann kleinen Spannweite. Ausgebreitet ermöglichen die Flügel langsameres Fliegen mit hoher Steuerbarkeit und auch einfachere Landungen auf kurzer Bahn.
Diese richtet sich nicht nur nach dem zu tragenden Gewicht. Die gewollte Geschwindigkeit spielt eine genauso große Rolle.
Beleuchten wir zwei Fälle.
Viel Flügelfläche bei kleinem Gewicht erreicht man einmal durch große Spannweite bei normaler Flügelbreite. Solche Flugzeuge haben eine kleine Geschwindigkeit. Vertreter dieser Bauart sind Segelflugzeuge. Das andere Extrem zeigt uns die Concorde mit ihrer zur Länge kleinen Spannweite, aber dennoch viel Flügelfläche. Die Flügeltiefe ist hier sehr groß. Direkt am Rumpf etwa drei Viertel der Rumpflänge. Das Gesamtgewicht dieses Flugzeugs ist hoch. Der Erfolg daraus besteht in dem gewollten enormen Geschwindigkeitsunterschied. Es besteht also die Möglichkeit, unterschiedlichen Gewichten auch unterschiedliche Flügelflächen zuzuordnen.
Bei einem Segelflugzeug muß z. B. ein Quadratmeter Flügelfläche ca. 20kg tragen. Diese Größe mit der Dimension Flugzeugmasse durch Fläche wird in der Fachwelt mit Flächenbelastung bezeichnet. Spitzenwerte haben der Jumbo und der europäische Jagd-Bomber Tornado von knapp über 1000kg je Quadratmeter Flügelfläche! Die angesprochene Concorde hat etwa 400kg. Darin drückt sich auch der Kompromiß zwischen Höchst- und Lande-Landegeschwindigkeit aus. (Bei einem `Delta´flugzeug lassen sich nämlich keine Start und Landeklappen wie beim normalen Flügel einsetzen. Diese werden anschließend noch beschrieben.)
Soweit die Flügel in ihrer Grundrißform. Damit der Tragflügel nun seine Aufgabe, nämlich Luft nach unten zu beschleunigen, gut erfüllen kann, muß er auch in anderer Hinsicht richtig konstruiert sein. Mit viel Motorkraft würde auch ein Scheunentor zum Fliegen zu bringen sein, es wäre jedoch wirtschaftlicher Unsinn. Was verlangt wird, ist, mit möglichst wenig Energieaufwand (Antriebsmotor) die Luft möglichst verlustfrei nach unten zu beschleunigen. Dazu gibt man dem Flügelquerschnitt (zu sehen, wenn man seitlich neben dem Flugzeug auf das Flügelende schaut) eine bestimmte Form. Diese wird Flügelprofil genannt.
Dieses Flügelprofil ist im Bild am Flügelende eines Segelflugzeuges zu sehen.
In den Anfangsjahren der Fliegerei wurde es von den Vogelschwingen abgeschaut. Es hatte nur eine Wölbung nach oben ohne Dicke. Die Vorderkante war selbstverständlich höher angeordnet als die Hinterkante. Durch endloses Probieren und gezieltes Forschen sind die heutigen Profile entstanden. Sie haben durch ihre Dicke eine unterschiedliche Ober- und Unterseite.
Flugzeuge, die langsam fliegen, haben ein deutlich nach unten zeigendes Profilende. Die Luftbeschleunigung nach unten wird dadurch erhöht, wie es im Bild zu sehen ist.
Bei Flügelprofilen für schnell fliegende Flugzeuge sieht man dem Profilende den abwärts weisenden Winkel kaum noch an, wie oben zu sehen ist.
In der Luft fliegen Motorflugzeuge meist so schnell, wie es wirtschaftlich her möglich ist. Langsamflug ist in jedem Fall eine Risikoerhöhung, da sich dann Fehler des Piloten bei der Steuerung stärker auswirken. Für Start oder Landung ist aber eine kleinere Geschwindigkeit vonnöten. Beim Start soll das Flugzeug möglichst früh abheben und steigen und bei der Landung möglichst langsam aufsetzen. Beides hat den Vorteil, daß die benötigte Länge der Start/Landebahn kürzer wird. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn wegen Motorausfall kein Flugplatz mehr erreicht werden kann. Es genügt dann unter Umständen eine größere Wiese.
Um das zu ermöglichen, muß das Profil der Tragflügel verändert werden können. Dafür gibt es mehrere Ausführungen.
