Wie Flugzeuge fliegen: Die Geschichte vom „längeren Weg“ ist falsch

Kurz gesagt: Die Geschichte, die die meisten von uns gelernt haben, sagt: Die Oberseite eines Flügels ist länger, also muss die Luft darüber schneller strömen, um an der Hinterkante wieder auf die Luft von unten zu treffen. Die NASA nennt sie eine der am weitesten verbreiteten falschen Erklärungen des Auftriebs. Nichts bringt die beiden zusammen: Im Windkanal erreicht die obere Luft das Ende lange vor der unteren, und die flachen Flügel eines Papierfliegers und Flugzeuge im Rückenflug erzeugen ebenfalls Auftrieb. Was wirklich passiert: Form und Neigung des Flügels lenken die Luft nach unten, und die Luft drückt den Flügel nach oben. Als Druck betrachtet ist er über dem Flügel niedriger und darunter höher: derselbe Auftrieb, auf zwei Arten beschrieben, also haben Bernoulli und Newton beide recht.

Die Geschichte, die die meisten von uns gelernt haben

Das Glenn Research Center der NASA: „The theory described on this slide is one of the most widely circulated, incorrect explanations. The theory can be labeled the “Longer Path” theory, or the “Equal Transit Time” theory.“ (Die auf dieser Folie beschriebene Theorie ist eine der am weitesten verbreiteten falschen Erklärungen. Man kann sie die Theorie vom „längeren Weg“ oder von der „gleichen Laufzeit“ nennen.)

Was sie sagt: „The air molecules (the little colored balls on the figure) have farther to travel over the top of the airfoil than along the bottom. In order to meet up at the trailing edge, the molecules going over the top of the wing must travel faster than the molecules moving under the wing.“ (Die Luftmoleküle, die kleinen bunten Kugeln in der Abbildung, haben über die Oberseite des Profils einen weiteren Weg als entlang der Unterseite. Um sich an der Hinterkante zu treffen, müssen die Moleküle über dem Flügel schneller sein als die unter dem Flügel.)

Und man begegnet ihr überall. Prof. Holger Babinsky von der University of Cambridge: „You find it taught in textbooks, explained on television and even described in aircraft manuals for pilots.“ (Man findet sie in Schulbüchern gelehrt, im Fernsehen erklärt und sogar in Flugzeughandbüchern für Piloten beschrieben.)

Nichts bringt sie zusammen

NASA Glenn: „This part of the theory attempts to provide us with a value for the velocity over the top of the airfoil based on the non-physical assumption that the molecules meet at the aft end.“ (Dieser Teil der Theorie versucht, einen Wert für die Geschwindigkeit über dem Profil zu liefern, gestützt auf die unphysikalische Annahme, dass sich die Moleküle am hinteren Ende treffen.) Und: „Two molecules near each other at the leading edge will not end up next to each other at the trailing edge“ (Zwei Moleküle, die an der Vorderkante nah beieinander sind, landen an der Hinterkante nicht nebeneinander).

Im Windkanal ist die obere Luft zuerst da

Die University of Cambridge, 2012: „Babinsky filmed pulses of smoke flowing around an aerofoil … When the video is paused, it’s clear that the transit times above and below the wing are not equal: the air moves faster over the top surface and has already gone past the end of the wing by the time the flow below the aerofoil reaches the end of the lower surface.“ (Babinsky filmte Rauchstöße, die um ein Flügelprofil strömen … Hält man das Video an, sieht man deutlich, dass die Laufzeiten über und unter dem Flügel nicht gleich sind: Die Luft strömt über die Oberseite schneller und ist schon am Ende des Flügels vorbei, wenn die Strömung unter dem Profil das Ende der Unterseite erreicht.)

NASA Glenn sagt dasselbe: „particles moving over the top arrive at the trailing edge before particles moving under the airfoil.“ (Teilchen, die oben entlangströmen, erreichen die Hinterkante vor den Teilchen unter dem Profil.)

Flache Flügel und Flugzeuge im Rückenflug tragen auch

NASA Glenn: „Think of a paper airplane. Its airfoil is a flat plate –> top and bottom exactly the same length and shape and yet they fly just fine.“ (Denk an einen Papierflieger. Sein Profil ist eine flache Platte, oben und unten genau gleich lang und gleich geformt, und trotzdem fliegt er bestens.)

Und: „This theory also does not explain how airplanes can fly upside-down which happens often at air shows and in air-to-air combat. The longer surface is then on the bottom!“ (Diese Theorie erklärt auch nicht, wie Flugzeuge auf dem Rücken fliegen können, was bei Flugshows und im Luftkampf oft vorkommt. Die längere Fläche ist dann unten!)

Was wirklich passiert: Der Flügel lenkt die Luft um

NASA Glenn, „What is Lift?“: „Lift occurs when a moving flow of gas is turned by a solid object. The flow is turned in one direction, and the lift is generated in the opposite direction, according to Newton’s Third Law of action and reaction.“ (Auftrieb entsteht, wenn eine Gasströmung von einem festen Körper umgelenkt wird. Die Strömung wird in eine Richtung gelenkt, und der Auftrieb entsteht in der Gegenrichtung, nach Newtons drittem Gesetz von Actio und Reactio.) Und: „For an aircraft wing, both the upper and lower surfaces contribute to the flow turning.“ (Bei einem Flugzeugflügel tragen Ober- und Unterseite beide zum Umlenken der Strömung bei.)

Was umlenkt, sind die Form des Flügels und seine Neigung. NASA Glenn: „The magnitude of the lift generated by the wing depends on the shape of the wing and how it moves through the air.“ (Wie groß der Auftrieb des Flügels ist, hängt von seiner Form ab und davon, wie er sich durch die Luft bewegt.) Und: „The angle between the chord line of the airfoil and the flight direction is called the angle of attack. Angle of attack has a large effect on the lift generated by a wing.“ (Der Winkel zwischen der Profilsehne und der Flugrichtung heißt Anstellwinkel. Der Anstellwinkel hat großen Einfluss auf den Auftrieb eines Flügels.)

Babinsky: „What actually causes lift is introducing a shape into the airflow, which curves the streamlines“ (Was den Auftrieb tatsächlich erzeugt, ist eine Form in der Luftströmung, die die Stromlinien krümmt).

Als Druck betrachtet: derselbe Auftrieb

Babinsky beschreibt das Ergebnis als „lower pressure on the upper surface and higher pressure on the lower surface“ (niedrigerer Druck auf der Oberseite und höherer Druck auf der Unterseite).

Dass die obere Luft schneller ist, stimmt am Mythos; er liegt nur bei der Geschwindigkeit falsch. NASA Glenn: „Experiment #1 shows us that the flow over the top of a lifting airfoil does travel faster than the flow beneath the airfoil. But the flow is much faster than the speed required to have the molecules meet up at the trailing edge.“ (Experiment Nr. 1 zeigt, dass die Strömung über einem Auftrieb erzeugenden Profil tatsächlich schneller ist als die darunter. Aber sie ist viel schneller, als nötig wäre, damit sich die Moleküle an der Hinterkante treffen.) Und: „The upper flow is faster and from Bernoulli’s equation the pressure is lower. … this part of the theory is correct.“ (Die obere Strömung ist schneller, und nach der Bernoulli-Gleichung ist der Druck niedriger. … dieser Teil der Theorie ist richtig.)

Bernoulli und Newton haben beide recht

NASA Glenn, „Bernoulli and Newton“: „From Newton’s third law of motion, a turning action of the flow will result in a re-action (aerodynamic force) on the object. So both “Bernoulli” and “Newton” are correct.“ (Nach Newtons drittem Bewegungsgesetz bewirkt das Umlenken der Strömung eine Gegenwirkung, eine aerodynamische Kraft, auf den Körper. Also sind „Bernoulli“ und „Newton“ beide richtig.)

Und: „Newton’s laws of motion are statements concerning the conservation of momentum. Bernoulli’s equation is derived by considering conservation of energy. So both of these equations are satisfied in the generation of lift; both are correct.“ (Newtons Bewegungsgesetze sind Aussagen über die Erhaltung des Impulses. Die Bernoulli-Gleichung wird aus der Energieerhaltung abgeleitet. Beim Entstehen des Auftriebs sind also beide Gleichungen erfüllt; beide sind richtig.)

Fazit

1. Die Geschichte vom längeren Weg ist falsch: Nichts bringt die Luft über und unter dem Flügel wieder zusammen, und die obere Luft ist zuerst da.
2. Auftrieb entsteht durch Umlenken von Luft: Form und Neigung biegen die Strömung nach unten, und die Luft drückt den Flügel nach oben.
3. Niedriger Druck oben, höherer unten ist derselbe Auftrieb, anders betrachtet: Bernoulli und Newton haben beide recht. Darum fliegen auch flache Flügel und Flugzeuge auf dem Rücken.

Quellen

• NASA Glenn Research Center, Beginner's Guide to Aeronautics, Equal Transit Theory Interactive (falsche Auftriebstheorie)
• NASA Glenn Research Center, What is Lift?
• NASA Glenn Research Center, Bernoulli and Newton
• NASA Glenn Research Center, Effects of Inclination on Lift Interactive
• University of Cambridge, How wings really work (Prof. Holger Babinsky, Department of Engineering), 25. Jan. 2012

Das Video ist mit Code animiert, und das Skript entstand mit KI-Unterstützung; jedes Zitat oben ist an seiner Quelle geprüft. Illustrativ: Die Luftströmung (die Stromfäden, der Rauchstoß, die Druckschattierung und die Pfeile) ist mit einem Lehrbuchmodell idealer Strömung berechnet, nicht gemessen; sie zeigt also das Muster, nicht die Zahlen eines echten Flügels. Der Rauchstoß ist unsere Zeichnung dessen, was Babinskys Rauch im Windkanal zeigt, nicht seine Aufnahme; die Flugzeuge sind allgemeine Zeichnungen. Das Video ist auf Englisch vertont. Gemacht mit Shotloop, meiner kostenlosen Mac-App für Erklärvideos aus Code, korrigiert Shot für Shot.