Flugzeug in Physik | Schülerlexikon

Flugzeuge haben sich im Verlaufe des 20. Jahrhunderts zu einem wichtigen Verkehrs- und Transportmittel entwickelt. Trotzdem war und bleibt das Fliegen eines Flugzeuges eine relativ komplizierte Angelegenheit und erfordert insbesondere beim Starten und beim Landen viel Erfahrung. Moderne Elektronik in Verbindung mit den traditionellen Teilen eines Flugzeuges (Antrieb, Tragflächen, Höhenruder, Querruder, Seitenruder) ermöglicht heute ein relativ sicheres Fliegen von Flugzeugen mit mehreren hundert Passagieren.

Modernes Transportflugzeug: Mit ihm werden Teile des Airbus zwischen den verschiedenen Produktionsstätten transportiert.

Historisches

Der Traum vom Fliegen ist uralt. Bereits die griechische Sage berichtet, dass DÄDALUS und sein Sohn IKARUS sich Flügel aus Vogelfedern bauten und damit flogen.
Im 11. Jahrhundert soll ein englischer Mönch einen Flugversuch vom Turm eines Klosters unternommen haben, der jedoch misslang.
Im 15. Jahrhundert beschäftigte sich der geniale Maler, Mathematiker und Techniker LEONARDO DA VINCI (1452-1519) eingehend mit dem Fliegen. Er studierte insbesondere den Flug der Vögel und entwarf Zeichnungen von künstlichen Flügeln (Bild 2), aber auch von Drehflüglern und Fallschirmen. Die Ideen von LEONARDO gerieten zunächst in Vergessenheit, der Traum vom Fliegen aber blieb.

Immer wieder unternahmen Menschen Flugversuche, die jedoch alle misslangen. So führte 1811 in Ulm der Schneidermeister ALBRECHT LUDWIG BERBLINGER einen Flugversuch durch, der aber kläglich scheiterte. Er hatte versucht, mit selbst gebauten Flügeln von einem eigens errichteten Holzgerüst im Gleitflug über die Donau zu schweben. Der Flug endete aber in der Donau. Bekannt geworden ist das als der Flug des "Schneiders von Ulm".

Zeichnung eines Schlagflügels von LEONARDO DA VINCI

Einen wesentlichen Schritt zur Entwicklung der Luftfahrt vollbrachten die Brüder GUSTAV und OTTO LILIENTHAL. Sie untersuchten insbesondere den Gleitflug mit Tragflügeln und verglichen ihre Erkenntnisse immer wieder mit dem Gleitflug von großen Vögeln.
1891 führte OTTO LILIENTHAL (1848-1896) erstmals erfolgreich Gleitflüge in Derwitz bei Werder an der Havel aus. 1896 verunglückte dieser Flugpionier bei einem seiner Flugversuche in der Nähe von Stölln tödlich. Heute befindet sich in diesem Ort ein kleines Lilienthal-Museum.

OTTO LILIENTHAL mit seinem Gleitflugapparat um 1895

Bald begannen auch Versuche mit motorgetriebenen Flugapparaten. 1903 hob erstmals in den USA ein propellerbetriebenes Flugzeug vom Boden ab. Konstrukteure dieses Flugzeuges und auch die Piloten waren die Gebrüder WRIGHT.
Sehr schnell setzte eine stürmische Entwicklung ein. Nachfolgend sind einige wenige wichtige Schritte dieser Entwicklung genannt:

Ab 1915 werden in Deutschland unter Leitung des Konstrukteurs und Industriellen HUGO JUNKERS die ersten Ganzmetallflugzeuge gebaut.
1919 gelingt den britischen Flugpionieren JOHN WILLIAM ALCOCK und ARTHUR WHITTEN-BROWN der erste Nonstopflug über den Atlantik: Sie fliegen in 16,5 Stunden von Saint Johns auf Neufundland nach Clifden in Irland.
1923 wird in Berlin der Flugplatz Tempelhof eröffnet. Heute starten und landen auf dem inzwischen mitten in der Stadt liegenden Flugplatz nur noch relativ kleine Maschinen. Über eine Schließung des Flugplatzes Tempelhof wird nachgedacht.
1927 erfolgt der erste Alleinflug von CHARLES LINDBERGH mit der "Spirit of St. Louis" (237-PS-Motor) über den Atlantik. Der 25-jährige Sohn schwedischer Einwanderer startet am Morgen des 20. Mai vom Roosevelt-Flugfeld bei New York. In 33,5 Stunden legt er die fast 6.000 km über Neufundland und Südengland bis Paris zurück. 20.22 Uhr Ortszeit landete er in Paris. Durch seinen Flug wird der bis dahin weitgehend unbekannte Postflieger zum Nationalhelden der USA.
1928 überqueren H. KÖHL, E. G. VON HÜNEFELD und J. FITZMAURICE mit einem Flugzeug vom Typ Junkers W 33 erstmals den Atlantik von Ost nach West. Sie starten in Dublin (Irland) und landen in Greenly (Labrador).
1928 fliegen zwei Lufthansa-Piloten die 12.300 km lange Strecke Berlin-Irkutsk-Berlin mit einer Junkers "W 33" in 76 Stunden und 15 Minuten.

Motorflugzeug der Gebrüder WRIGHT

Ab 1932 fliegt die berühmte dreimotorige Ju-52 aus den Junkers-Werken. Es erfolgen regelmäßige Linienflüge zwischen großen europäischen Städten.
1937 fliegen die sowjetischen Flieger TSCHKALOW, BAIDUKOW und BELJAJEW als Erste von Moskau über den Nordpol nach Portland (USA). Für die 9.130 km benötigen sie ca. 63 Stunden.
Das viermotorige Passagierflugzeug Focke-Wulf FW 200 "Condor" fliegt 1938 als erstes Flugzeug im Nonstopflug von Berlin nach New York. Es benötigt 24 Stunden und 54 Minuten, für den Rückflug nur 19 Stunden 54 Minuten.
Am 27. August 1939 absolviert das erste Düsenflugzeug der Welt, die "He 178", seinen ersten Flug. Er erfolgte durch den Testpiloten ERICH WARSITZ vom Werksflugplatz der Heinkel-Werke in Rostock-Marienehe aus.
1941 startet das erste mit zwei Strahltriebwerken ausgerüstete Flugzeug der Welt, die Heinckel "He 280", in Rostock mit Werkpilot SCHÄFER zum Jungfernflug.
Im Juli 1942 absolviert der erste serienmäßig hergestellte Düsenjäger der Welt, die 870 km/h schnelle und 6396 kg schwere Me 262 des deutschen Konstrukteurs MESSERSCHMITT, seinen ersten Testflug.
1947 erreicht der amerikanische Pilot CHARLES YEAGER mit einem Jagdflugzeug vom Typ Bell "X-1" erstmals Überschallgeschwindigkeit und durchbricht damit die so genannte "Schallmauer". Die Maschine verfügt über einen Raketenantrieb. Sie kann nicht vom Boden starten, sondern wird unter den Tragflächen eines Bombers auf Höhe geschleppt und dann ausgeklinkt.
1954 erfolgt der erste Start eines Prototyps des strahlgetriebenen Passagierflugzeuges "Boeing 707". Dieses Flugzeug wird zu einem der erfolgreichsten Passagierflugzeuge der Geschichte der Luftfahrt.
1957 umrunden drei Bomber vom Typ "Boeing B 52" im Nonstopflug die Erde. Sie brauchen dafür 45 Stunden und 19 Minuten. Die gesamte Flugstrecke beträgt 39.147 km. Die Flugzeuge tanken unterwegs viermal in der Luft auf.
Im Jahr 1958 überqueren erstmals mehr Menschen mit dem Flugzeug als mit dem Schiff den Atlantischen Ozean.
1967 erreicht der US-amerikanische Pilot W. J. KNIGHT mit dem Raketen-Versuchsflugzeug "X-15" eine Geschwindigkeit von 7 279 km/h. Dieses Raketenflugzeug wird mit einem Trägerflugzeug in große Höhe geschleppt und dort ausgeklinkt.
1968 absolviert das erste Überschall-Verkehrsflugzeug der Welt, die sowjetische TU-144, ihren Jungfernflug. Von dem Flugzeug werden insgesamt 16 Maschinen gebaut. Es wird auf der Strecke Moskau- Alma Ata eingesetzt. Die Flüge werden aber später wieder eingestellt, vor allem aus ökonomischen Gründen.
1969 erfolgt der Jungfernflug der britisch-französischen "Concorde", des zweiten Überschall-Passagierflugzeugs der Welt. Maschinen dieses Typs bis 2003 bei Transatlantikflügen zwischen Paris bzw. London und New York eingesetzt.
1969 unternimmt die "Boeing 747", auch Jumbo-Jet genannt, ihren Jungfernflug. Es ist das bis dahin größte Verkehrsflugzeug der Welt. In der ersten Version hat das Flugzeug eine Länge von 70,5 m, eine maximale Startmasse von 351 t und eine Spannweite von 59,6 m. Es kann 385 Passagiere befördern, fliegt 930 km/h schnell und erreicht eine Dienstgipfelhöhe von 13.700 m. Die vier Triebwerke liefern einen Schub von je 220 kN.

Modell einer Ju-52. Die Ju-52 wird auch heute noch für Touristenflüge über Berlin und seiner Umgebung genutzt.

Grundlagen des Fliegens

Ein Flugzeug ist wesentlich schwerer als Luft. Wenn es fliegen soll, müssen neben der Gewichtskraft weitere Kräfte wirken:

Für das Aufsteigen ist eine nach oben, der Gewichtskraft entgegen gerichtete Kraft erforderlich (Auftriebskraft).
Für die Fortbewegung in horizontaler Richtung ist eine antreibende Kraft in Bewegungsrichtung erforderlich.

Kräfte bei einem Flugzeug, das mit konstanter Geschwindigkeit horizontal fliegt: Nach unten wirkt die Gewichtskraft, nach oben die Auftriebskraft, nach vorn die Antriebskraft und nach hinten die Luftwiderstandskraft.

Wirkende Kräfte

In Bild 6 sind die Kräfte dargestellt, die beim horizontalen, gleichförmigen Flug wirken: Das Flugzeug befindet sich dann im Kräftegleichgewicht.
In vertikaler Richtung wirken die Gewichtskraft nach unten und die Auftriebskraft nach oben. Beide Kräfte sind gleich groß.
In horizontaler Richtung wirken die Antriebskraft in Flugrichtung und die Luftwiderstandskraft entgegen dieser Richtung. Auch diese beiden Kräfte sind unter der oben genanten Bedingung (horizontaler Flug mit konstanter Geschwindigkeit) gleich groß.

Starten und Horizontalflug

Zum Starten des Flugzeuges ist eine hinreichend große Auftriebskraft erforderlich. Die Auftriebskraft kommt durch den dynamischen Auftrieb zustande, der vor allem durch die Tragflächen wirksam wird. Bei einer Relativbewegung zwischen Luft und Tragflächen kommt es zu einem erhöhten Druck unterhalb und zu einer Verringerung des Druckes oberhalb der Tragflächen. Es wirkt insgesamt eine Auftriebskraft nach oben. Der Betrag dieser Auftriebskraft ist umso größer, je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Flugzeug ist. Er ist auch abhängig von der Größe und der Form von Tragflächen. Flugzeuge starten in der Regel mit ausgefahrenen Tragflächen gegen den Wind, um den erforderlichen Auftrieb zu erreichen. Die Mindestgeschwindigkeit beim Abheben von der Rollbahn beträgt z. B. bei einem voll beladenen Jumbo-Jet vom Typ Boeing 747 etwa 310 km/h.
Nach Erreichen der gewünschten Flughöhe muss die Auftriebskraft genauso groß sein wie die Gewichtskraft. Die Geschwindigkeit des Flugzeuges ist wesentlich größer als in der Startphase. Deshalb können der Anstellwinkel der Tragflächen und auch ihre Fläche verkleinert werden. Das führt zugleich auch zu einer Verkleinerung des Luftwiderstandes.

Änderung der Flugrichtung und Flughöhe

Um Flugrichtung und Flughöhe zu ändern, nutzt man verschiedene Ruder, eine Bezeichnung, die aus der Anfangszeit der Luftfahrt stammt, in der man viele Begriffe aus der Seefahrt übernahm. Das Grundprinzip dieser Ruder besteht darin, dass durch Änderung ihrer Stellung die Luftströmung so verändert wird, dass zusätzliche Kräfte auftreten, die eine Richtungsänderung bewirken.
Mit dem Seitenruder (Bild 7) kann das Flugzeug um eine vertikale Achse gedreht werden (nach links und rechts). Das Querruder ermöglicht die Lageänderung um die Flugzeuglängsachse. Mit dem Höhenruder kann das Flugzeug nach oben oder unten gesteuert werden.

Funktion der verschiedenen Ruder bei einem Flugzeug

Landen

Zum Landen wird die Reisegeschwindigkeit des Flugzeuges verkleinert. Aufgrund des dann geringeren Auftriebs verringert sich die Höhe des Flugzeuges. Um ein langsames Absinken und einen hinreichenden Auftrieb auch bei kleinerer Geschwindigkeit zu erreichen, werden die Tragflächen durch Ausfahren von Teilen vergrößert.
Nach dem Aufsetzen auf der Landebahn muss das Flugzeug stark abgebremst werden. Dabei werden drei Möglichkeiten, teilweise in Kombination miteinander, genutzt:

An den Tragflächen werden Bremsklappen ausgefahren, die zu einer starken Wirbelbildung und zu einem Abbremsen des Flugzeuges führen.
Es werden die Radbremsen genutzt.
Die Triebwerke werden auf Schubumkehr geschaltet, d.h. der Schub der Triebwerke wirkt nicht in Bewegungsrichtung, sondern in entgegengesetzter Richtung und führt zu einer Abbremsung.

Die Veränderung der Form und der Größe einer Tragfläche beim Landen erfolgt durch Ausfahren von Teilen (Landeklappen).

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