Warum fliegt ein Flugzeug?

ein klein wenig Theorie zu Anfang...


Ein Ballon, gefüllt mit Gas oder heißer Luft erhebt sich schwerelos in die Höhe. Er ist leichter als die ihn umgebende Luft.
Drückst Du einen Korken unter Wasser, wird er wieder auftauchen, wenn Du ihn loslässt. Er ist leichter als das ihn umgebende Wasser. Genauso geht es dem Ballon. Er steigt in der Luft nach oben. Auch wenn Du die Luft nicht siehst, sie ist doch überall um uns herum. Bei Wind kannst Du sie spüren. Sie kann sogar ganz schön viel Kraft haben, wie Du bei einem Sturm sehen kannst. Oder halte mal die Hand aus dem Fenster eines fahrenden Autos!

Wirfst Du einen Stein ins Wasser, wird er untergehen. Er ist schwerer als das ihn umgebende Wasser. Ein Stück Holz oder Papier in die Luft geworfen, fällt mehr oder weniger schnell zurück auf den Boden. Es ist schwerer als die umgebende Luft.
Nun falte einen Papierflieger. Wirf ihn in die Luft! Sicher, auch dieser landet irgendwann wieder auf dem Boden. Aber zuvor hat er eine mehr oder weniger lange Zeit in der Luft verbracht, und sogar ein gutes Stück Weg zurückgelegt!
Das Geheimnis scheint daraus zu bestehen, dass er in der Luft eine bestimmte Richtung und Geschwindigkeit hat. Er gleitet durch die Luft. Daher müssten wir den Papierflieger eigentlich  Papiergleiter nennen.
Aber immerhin: statt wie ein Blatt Papier unkontrolliert durch die Luft zu Boden zu taumeln, gleitet der Papierflieger mehr oder weniger sanft zu Boden.
Woran mag das liegen? Das Geheimnis liegt wohl an der Faltung. Durch geschicktes Falten des Papiers
kommt nämlich ein größerer Teil des Gewichtes nach vorn, an die Spitze des Fliegers. Das Gewicht zieht ihn nach unten. Der mittlere und hintere Teil wirkt als Flügel und stabilisiert die Richtung.

Du kannst den Plan ausdrucken, die Teile ausschneiden an den gestrichelten Linien ritzen und falten. Am besten Du druckst gleich auf etwas stärkeren Zeichenkarton, ca. 170g/m². Den Rumpf faltest und klebst Du zusammen. Vergiss nicht das Seitenleitwerk zwischen die Höhenleitwerke zu kleben! Das Höhenleitwerk sollte rechtwinklig nach links und recht vom Rumpf sitzen. Achte darauf, dass die Tragflächenauflage leicht schräg nach vorn ansteigt. Daraus ergibt sich der Einstellwinkel von ca. 3° zum Höhenleitwerk.
Wurfgleiter SPATZ, aus ZeichenkartonDie Tragfläche sollte an der gestrichelten Linie leicht geknickt werden, das ergibt die V-Stellung der Flügel. Die Flügelenden sollten so etwa 1cm höher liegen als die Flügelwurzel. Da kannst Du aber später noch ein wenig experimentieren! Klebe nun noch die zwei Verstärkungen der Rumpfnase auf. Diese sorgen auch für das nötige Gewicht. Wenn Du beim Einfliegen feststellst, dass Dein Flieger vorn noch zu leicht sein sollte, dann gib an die Rumpfspitze noch etwas Gewicht, zum Beispiel eine Büroklammer.
Dieser Flieger hat schon fast alles, was zu einem richtigen Flugzeug gehört: Vorn eine schwere Spitze, Flügel, die für den Auftrieb sorgen, einen Rumpf, welcher das Leitwerk trägt, und eben das Leitwerk, das sind die kleinen Flügel hinten, die sorgen dafür, dass der Flieger seine Richtung beibehält.
Einen weiteren tollen Flieger zum Ausprobieren und Experimentieren findest du in Volki's Spielecke

Sobald der Flieger eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht, wirkt die vorbeiströmende Luft am Leitwerk stabilisierend. Während das Gewicht den Flieger nach unten ziehen will, versucht das Leitwerk zurückzubleiben. Es wird von der Luft nach hinten gedrückt. Da es aber fest mit dem Flieger verbunden ist, bewirkt es, dass der Flieger sich genau in Flugrichtung ausrichtet.
Geht der Flug zu steil nach unten, drückt die Luft von oben auf das Leitwerk und bewegt dieses nach unten. Das Gegenteil geschieht, wenn der Flieger nach oben will. Die Luft drückt dann das Leitwerk nach oben, und der Flieger kippt ebenfalls wieder in die Waagerechte.

Genauso wirk das Seitenleitwerk. Wenn der Flieger nach links ausbricht, drückt die von vorn anströmende Luft das Seitenleitwerk nach links und umgekehrt. So stabilisiert also das Leitwerk die Flugrichtung.

Was bewirkt, dass die Flügel schön waagerecht in der Luft liegen? Genauso gut könnte der Flieger sich doch in Längsrichtung drehen, wie ein Korkenzieher? Oder?
Nun, schau Dir dein Flugzeug mal von vorn an. Wenn Du genau hinschaust, erkennst Du eine leichte "V" Stellung der Tragflächen. Das heißt, die Flügelenden sind ein Stückchen höher als an der Stelle, wo sie am Rumpf sitzen.
Das bewirkt jetzt folgendes:
Beide Tragflächen, die Linke und die Rechte gemeinsam bewirken den Auftrieb für Dein Flugzeug. Und zwar beide gleich. Dreht sich Dein Flieger nun um die Längsachse, d.h. neigt er sich zur Seite, dann wird der nach unten gekippte Flügel für die anströmende Luft länger, der nach oben weisende aber kürzer. Der "kürzere" Flügel erzeugt weniger Auftrieb als der längere. Der stärkere Auftrieb am "längeren" Flügel hebt diesen dadurch wieder in die Waagerechte zurück.
Somit fliegt unser Flieger also um alle drei Achsen stabil. Man spricht von einem "eigenstabilen" Flugzeug.

Schauen wir uns einen Drachen an. Im Prinzip eine ebene Platte. Durch seine Waage und den Zug an der Schnur stellt er sich schräg gegen den Wind. Der Wind drückt von vorn unten gegen den Drachen, und das hebt ihn in die Höhe.
Ähnlich beim Flugzeug. Wenn Du Dir den Flieger mal genau anschaust, bemerkst Du, dass das Höhenleitwerk nicht genau in die selbe Richtung weist wie die Tragflächen. Sie bilden einen kleinen Winkel, den "Einstellwinkel".
Genau betrachtet zeigt das Höhenleitwerk ein kleines bisschen nach unten. Oder anders: wenn die von vorn anströmende Luft das Leitwerk genau gerade nach hinten ausrichtet, dann zeigen die Tragflächen mit ihrer Vorderkante ein klein wenig nach oben! Die Luft strömt also nicht genau von vorn auf die Tragflächen, sondern ein klein wenig von unten. So erhält man den gleichen Effekt wie beim Drachen, es entsteht Auftrieb.

Natürlich hat so eine "Ebene Platte" nicht gerade den optimalen Auftrieb, aber für einfache (Papier-) Flieger reicht das durchaus. Theoretisch kannst Du den Auftrieb erhöhen, indem Du den Anstellwinkel der Tragflächen vergrößerst. Du müsstest nur den Einstellwinkel zwischen Tragfläche und Höhenleitwerk vergrößern. Doch in der Praxis bewirkt das einen großen Anstieg des Luftwiederstandes, Dein Flieger würde stark abgebremst, würde zu langsam, und stürzt ab...

Doch gibt es eine andere Möglichkeit, den Auftrieb zu vergrößern: Das Tragflächenprofil. Wenn Du Dir mal ein Flugzeug genau anschaust, dann wirst Du bemerken, dass die Tragflächen nicht eben sind. Sie sind entweder in der Mitte nach oben Gewölbt, dicker als vorn und hinten, oder gar beides.
Warum dies?
Mache einmal folgendes Experiment: Biege zwei Postkarten wie im Bild dargestellt, und hänge sie über zwei Stricknadeln (oder Schaschlikspieße etc.). Halte sie an den Stricknadeln so nebeneinander, dass die Wölbungen einander zugekehrt sind, sich aber nicht berühren. Der Abstand sollte so etwa 1 bis 2 Zentimeter betragen.
Jetzt puste von oben zwischen die Postkarten. Was denkst Du geschieht? Du erwartest vielleicht, dass Die Postkarten auseinander gepustet werden - aber das Gegenteil ist der Fall!
Luft, die sich schnell über eine Fläche bewegt, hat einen geringeren Luftdruck als die ruhende. Also drückt die Luft außerhalb der Postkarten diese zusammen, solange Du Luft zwischen ihnen hindurch pustest.
Genau nach diesem Prinzip funktioniert eine gewölbte oder profilierte Tragfläche. Auf der Tragflächenoberseite muss die Luft einen längeren Weg zurücklegen, während das Flugzeug sich durch die Luft bewegt. Dadurch entsteht über der Fläche ein Sog. Ein Flugzeug "hängt" also am Unterdruck über seinen Flügeln. Das funktioniert allerdings nur so lange, wie sich das Flugzeug genügend schnell nach vorn bewegt.
Die Kraft für die Vorwärtsbewegung nimmt sich ein Gleiter oder Segelflieger aus dem Sinkflug. Es fliegt schräg abwärts, so wie eine Kugel auf der Kugelbahn schräg nach unten rollt.
Diese schräge Flugbahn nennt man Gleitwinkel. Wenn der Flieger z. B. aus einem Meter Höhe sechs Meter weit fliegt (besser: gleitet) dann spricht man von einem Gleitwinkel von 1 zu 6. Gute Segler erreichen einen Gleitwinkel von 1 zu 20 und mehr!
Wie kann aber ein Segelflieger stundenlang in der Luft bleiben? Nach dem Hochziehen hat das Segelflugzeug eine Höhe von vielleicht 200 oder 300 Metern, und müsste, bei einem Gleitwinkel von 1 zu 20, nach höchstens 6 Kilometern wieder auf dem Boden sein. Bei einer Geschwindigkeit von vielleicht 30 Kilometern in der Stunde wäre der Flug also nach höchstens 12 Minuten zu Ende.
Bei absoluter Windstille, in der Ebene und ohne Thermik trifft das auch zu. Aber die Luft, welche das Flugzeug umgibt, steht nicht immer still. Bei Wind steigt die Luft vor Berghängen nach oben, und wenn die Sonne den Boden erwärmt, erwärmt sich die Luft. Warme Luft ist bekanntlich leichter als kalte und steigt nach oben. Das nennt man Thermik.
Wenn unser Flieger einen Meter pro Sekunde an Höhe verliert, die ihn umgebende Luft aber vielleicht mit 2 Metern pro Sekunde nach oben steigt, dann wird unser Flugzeug also im Endeffekt einen Meter pro Sekunde steigen. So kann man Segler stundenlang in der Luft halten!

Indem man die Vorwärtsgeschwindigkeit des Fliegers erhöht, vergrößert sich auch der Auftrieb. Man kann dazu den Flieger mit einem Motor ausrüsten. Der Propeller schiebt die Luft nach hinten und zieht somit das Flugzeug nach vorn. Je schneller das Flugzeug angetrieben wird, desto größer wird der Auftrieb, und umso schneller gewinnt es an Höhe. Hat der Flieger die gewünschte Höhe erreicht, kann man die Maschinen so weit drosseln, dass es gerade noch nicht an Höhe verliert. Dazu ist wesentlich weniger Leistung nötig als für den Steigflug. Das ist ja auch der Grund, warum große Verkehrsflugzeuge beim Start so viel mehr Lärm machen als bei der Landung.

Für unsere kleinen Modelle kommen als Motoren zum Beispiel der Gummimotor in Betracht.
 



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