Vier Kräfte im Gleichgewicht.

Jedes Flugzeug, vom Papierflieger bis zum Verkehrsflugzeug, wird von denselben vier Kräften geschoben und gezogen. Eine Kraft wird in Newton (N) gemessen, und jede Kraft wird als Pfeil dargestellt.

• Gewichtskraft (W) zieht das Flugzeug nach unten zum Mittelpunkt der Erde. Sie ist Masse mal Schwerkraft: W = m × g, mit g = 9,81 m/s². Ein Leichtflugzeug mit 1.000 kg wiegt 9.810 N.
• Auftrieb (L) ist die Kraft der Luft auf den Flügel im rechten Winkel zur Luftströmung. Beim Horizontalflug bedeutet das nach oben.
• Schubkraft (T) ist der Schub nach vorn von einem Propeller oder Düsentriebwerk.
• Luftwiderstand (D) ist der Widerstand der Luft gegen die Bewegung. Er zeigt nach hinten, entlang der Luftströmung.

Auftrieb und Luftwiderstand entstehen beide dadurch, dass die Luft gegen das Flugzeug drückt. Die Gewichtskraft entsteht durch die Anziehung der Erde. Die Schubkraft kommt vom Triebwerk. Beachte: Das Triebwerk hält das Flugzeug nicht oben. Das ist die Aufgabe des Flügels.

Gleichgewicht bedeutet gleichmäßigen Flug. Das erste Newtonsche Gesetz besagt, dass sich ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegt, wenn sich die Kräfte auf ihn zu null addieren. Ein Flugzeug, das waagerecht mit gleichmäßiger Geschwindigkeit fliegt, hat also:

• L = W (nach oben ist gleich nach unten) und
• T = D (nach vorn ist gleich nach hinten).

Nichts bleibt "übrig", also ändert sich nichts. Wenn die Kräfte nicht gleich groß sind, gilt das zweite Newtonsche Gesetz: resultierende Kraft = Masse × Beschleunigung. Angenommen, das Spielzeugflugzeug mit 1.000 kg hat 200 N mehr Schubkraft als Luftwiderstand. Die resultierende Kraft nach vorn beträgt 200 N, also ist a = 200 / 1.000 = 0,2 m/s². Das Flugzeug wird zunächst langsam schneller, bis der zunehmende Luftwiderstand wieder so groß wie die Schubkraft ist und die Kräfte bei einer höheren Geschwindigkeit erneut im Gleichgewicht sind.

Die gleiche Logik gilt für die Auf- und Abwärtsbewegung. Wenn der Auftrieb größer als die Gewichtskraft ist, wird das Flugzeug nach oben gedrückt und seine Flugbahn krümmt sich nach oben. Wenn der Auftrieb kleiner ist, krümmt sie sich nach unten.

Wie groß sind die Zahlen? Das Verhältnis von Auftrieb zu Strömungswiderstand, L/D, zeigt, wie effizient ein Flügel sein Gewicht trägt. Im gleichförmigen Horizontalflug gilt L = W und T = D, also T = W / (L/D). Das leichte Spielzeugflugzeug in diesem Kurs hat ein bestes L/D von ungefähr 12.5 (du wirst in Lektion 3 sehen, warum). Dann gilt:

T = D = 9.810 N / 12,5 ≈ 785 N – also nur etwa 8 Prozent der Gewichtskraft. Ein Flugzeug ist eine sehr effiziente Möglichkeit, Gewicht zu bewegen, weil der Flügel es trägt. Ein Hubschrauber im Schwebeflug hat diese Hilfe nicht: Sein Rotor muss eine Schubkraft erzeugen, die seiner gesamten Gewichtskraft entspricht (Welt 5).

Steigen und Sinken. Bei einem gleichmäßigen Steigflug ist die Flugbahn um einen Winkel γ geneigt. Jetzt muss der Motor das Flugzeug zusätzlich gegen einen Teil seiner Gewichtskraft bergauf ziehen: T = D + W sin γ. Bei einem Steigflug von 5° sind W sin 5° ≈ 9.810 × 0,087 ≈ 855 N zusätzliche Schubkraft nötig. Beim Gleitflug mit ausgeschaltetem Motor zieht derselbe Teil der Gewichtskraft das Flugzeug stattdessen nach vorn. Das wirst du in Welt 6 verwenden.

Dieser Kurs dient der Bildung. Er erklärt die Physik des Fliegens, damit du verstehst, wie Flugzeuge funktionieren. Er ist keine Flugausbildung und keine Bedienungsanleitung für ein Flugzeug. Echte Pilotinnen und Piloten lernen bei zertifizierten Fluglehrerinnen und Fluglehrern sowie im Handbuch des Flugzeugs, das sie fliegen. Die Zahlen beziehen sich auf ein vereinfachtes Spielzeugflugzeug und stimmen deshalb nicht exakt mit einem echten Flugzeugtyp überein.