Alles Physik: Warum fliegen Flugzeuge?
Wie kann sich ein tonnenschweres Flugzeug in der Luft halten? Wir beschäftigen uns mit den physikalischen Grundlagen des Fliegens.
Welche Kräfte wirken beim Abheben eines Flugzeugs?
Foto: PantherMedia / Dmitry Rukhlenko
Ein Flugzeug bewegt sich mit mehreren hundert Tonnen Gewicht scheinbar mühelos durch die Luft. Möglich ist das durch ein Zusammenspiel physikalischer Kräfte und ausgeklügelter Technik. Hinter dem Abheben steckt kein Geheimnis, sondern nachvollziehbare Aerodynamik.
Zentral ist dabei: Ein Flugzeug kann nur fliegen, wenn der Auftrieb größer ist als das Gewicht. Doch wie genau entsteht dieser Auftrieb? Und welche Kräfte wirken sonst noch? Wir schauen uns die Physik hinter dem Fliegen an.
Inhaltsverzeichnis
Die vier aerodynamischen Kräfte
Ein Flugzeug bleibt nicht einfach so in der Luft – es befindet sich permanent im Einflussfeld vier fundamentaler Kräfte. Diese Kräfte wirken gleichzeitig und stehen in einem ständigen Kräftegleichgewicht, das von Piloten durch Steuereingaben und Triebwerksleistung aktiv beeinflusst wird. Sie sind:
- Auftrieb (Lift)
- Gewicht (Weight)
- Schub (Thrust)
- Luftwiderstand (Drag)
Diese vier Kräfte bilden ein dynamisches Gleichgewicht, das sich bei jeder Flugphase – Start, Steigflug, Reiseflug, Sinkflug und Landung – neu einstellt.
1. Auftrieb (Lift) – Die tragende Kraft des Fliegens
Der Auftrieb ist die Kraft, die es einem Flugzeug ermöglicht, sich gegen die Schwerkraft in die Luft zu erheben und dort zu bleiben. Er entsteht an den Tragflächen (Flügeln) durch den relativen Wind, also den Luftstrom, der bei Vorwärtsbewegung über die Flügel strömt.
Wodurch wird Auftrieb erzeugt?
- Bernoulli-Prinzip: Schnellere Luftströmung über der gewölbten Oberseite erzeugt einen Unterdruck, der das Flugzeug „ansaugt“.
- Newtons drittes Gesetz: Die Tragfläche lenkt Luft nach unten ab – diese Reaktion erzeugt eine Gegenkraft nach oben.
Wovon hängt der Auftrieb ab?
Der Auftrieb, der ein Flugzeug in der Luft hält, wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Eine entscheidende Rolle spielt die Geschwindigkeit des Flugzeugs – je schneller es fliegt, desto größer ist der Auftrieb. Auch der Anstellwinkel der Flügel, also der Winkel zwischen der Tragfläche und der anströmenden Luft, beeinflusst die Auftriebskraft maßgeblich.
Zusätzlich hat die Form des Tragflächenprofils einen großen Einfluss: Speziell geformte Flügel erzeugen bei gleicher Geschwindigkeit deutlich mehr Auftrieb als einfache Profile. Schließlich ist auch die Dichte der Luft von Bedeutung – sie verändert sich je nach Höhe, Temperatur oder Luftdruck. In großer Höhe etwa ist die Luft dünner, wodurch weniger Auftrieb erzeugt werden kann.
Das Verhalten des Flugzeugs hängt direkt vom Verhältnis zwischen Auftrieb und Gewicht ab: Ist der Auftrieb größer als das Gewicht, steigt das Flugzeug. Ist er kleiner, sinkt es. Nur wenn beide Kräfte im Gleichgewicht sind, kann das Flugzeug stabil in konstanter Höhe geradeaus fliegen.
| Der Bernoulli-Effekt |
| Der Schweizer Physiker Daniel Bernoulli erkannte bereits im 18. Jahrhundert: Wenn sich ein Gas (z. B. Luft) schneller bewegt, übt es weniger Druck aus. Strömt Luft also mit höherer Geschwindigkeit über die gewölbte Flügeloberseite, verringert sich dort der statische Druck. Unterhalb des Flügels, wo die Luft langsamer fließt, bleibt der Druck höher. Der Unterschied dieser Drücke „saugt“ die Tragfläche nach oben – es entsteht Auftrieb. |
| Ein klassisches Alltagsbeispiel für dieses Prinzip ist ein einfacher Versuch: Hält man einen Papierstreifen locker an einem Ende fest und bläst darüber hinweg, hebt sich der Streifen nach oben. Warum? Die schnellere Luft über dem Papier erzeugt einen Unterdruck, der das Papier anhebt – genau wie bei einem Flügel. |
2. Gewicht (Weight) – Die natürliche Gegenspielerin des Auftriebs
Das Gewicht wirkt durch die Schwerkraft und zieht das Flugzeug stets senkrecht nach unten – zum Erdmittelpunkt. Es hängt ab von:
- Flugzeugstruktur (Eigengewicht)
- Zuladung (Passagiere, Fracht)
- Treibstoffmenge (nimmt im Flug ab)
Das Gewicht bleibt während des Fluges weitgehend konstant (abgesehen vom Kraftstoffverbrauch) und ist immer eine Kraft, die es zu überwinden gilt, wenn ein Flugzeug fliegen oder steigen soll.
3. Schub (Thrust) – Der Motor der Bewegung
Der Schub ist die Kraft, die das Flugzeug nach vorne beschleunigt. Sie wird durch das Triebwerk erzeugt – bei Propellerflugzeugen durch den Propeller, bei Jets durch das Turbinentriebwerk.
Wie wirkt Schub?
- Der Propeller oder das Triebwerk beschleunigt Luft nach hinten.
- Dadurch entsteht eine Gegenkraft nach vorne (Newtons Gesetz).
- Diese Kraft zieht oder schiebt das Flugzeug durch die Luft.
Der Schub muss größer sein als der Luftwiderstand, damit das Flugzeug beschleunigt. Im Reiseflug sind Schub und Luftwiderstand ausgeglichen – das Flugzeug hält dann eine konstante Geschwindigkeit.
4. Luftwiderstand (Drag) – Die bremsende Kraft der Luft
Der Luftwiderstand wirkt der Vorwärtsbewegung entgegen. Immer wenn sich ein Objekt durch die Atmosphäre bewegt, muss es sich durch unzählige Luftmoleküle „hindurchkämpfen“. Dabei entstehen Widerstandskräfte, die das Flugzeug bremsen.
Es gibt mehrere Arten von Luftwiderstand:
- Formwiderstand: Abhängig von der äußeren Form des Flugzeugs – je glatter und stromlinienförmiger, desto geringer.
- Oberflächenwiderstand (Reibung): Entsteht durch Reibung zwischen Luft und Flugzeughaut.
- Induzierter Widerstand: Entsteht bei Auftriebserzeugung, vor allem an den Flügelspitzen (Wirbel).
- Parasitäre Widerstände: Durch Antennen, Fahrwerk, Flügelstreben usw.
Mit steigender Geschwindigkeit nimmt auch der Luftwiderstand zu – überproportional (quadratisch zur Geschwindigkeit!). Deshalb ist für hohe Geschwindigkeiten ein starker Schub erforderlich.
Diese vier Kräfte wirken auf die Tragflügel.
Foto: Dominik Hochwarth
Das Gleichgewicht der Kräfte
Damit ein Flugzeug stabil fliegen kann, müssen bestimmte physikalische Kräfte im Gleichgewicht sein. Entscheidend ist dabei vor allem das Zusammenspiel von Auftrieb, Gewicht, Schub und Luftwiderstand. Für einen ausgeglichenen Horizontalflug gilt: Der Auftrieb muss dem Gewicht des Flugzeugs entsprechen, und der erzeugte Schub muss genau so groß sein wie der entgegenwirkende Luftwiderstand.
Allerdings ändern sich diese Kräfteverhältnisse je nach Flugphase. Beim Start ist der Auftrieb zunächst noch geringer als das Gewicht des Flugzeugs – erst durch zunehmende Geschwindigkeit nähert sich der Auftrieb dem Gewicht an. Gleichzeitig sorgt ein starker Schub dafür, dass das Flugzeug beschleunigt und überhaupt erst abheben kann. In dieser Phase ist der Schub deutlich größer als der Luftwiderstand.
Steigflug und Horizontalflug
Im anschließenden Steigflug ist das Kräfteverhältnis ausgeglichener: Der Auftrieb entspricht in etwa dem Gewicht des Flugzeugs, während der Schub weiterhin größer ist als der Luftwiderstand, um den Anstieg gegen die Schwerkraft zu ermöglichen.
Im Horizontalflug, also bei gleichbleibender Flughöhe und Geschwindigkeit, herrscht das ideale Gleichgewicht: Der Auftrieb ist gleich dem Gewicht, und der Schub entspricht dem Luftwiderstand. In dieser Phase ist das Flugzeug besonders effizient unterwegs.
Sinkflug und Landung
Sobald das Flugzeug in den Sinkflug übergeht, verändert sich das Kräfteverhältnis erneut. Der Auftrieb ist nun geringer als das Gewicht, sodass das Flugzeug zu sinken beginnt. Gleichzeitig wird der Schub reduziert, oft sogar auf Leerlauf, wodurch der Luftwiderstand größer ist als der verbleibende Schub.
Während der Landung wird das Flugzeug gezielt weiter abgebremst. Der Auftrieb bleibt unterhalb des Gewichts, sodass das Flugzeug sicher zu Boden sinkt. Der Schub wird dabei weiter reduziert oder vollständig abgeschaltet, um die Landegeschwindigkeit zu kontrollieren.
Die wichtigsten Gleichungen der Luftfahrt
1. Auftriebskraft (L)
Formel: L = ½ · ρ · v² · A · CL
Erklärung:
L = Auftriebskraft [N]
ρ = Luftdichte [kg/m³]
v = Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
A = Flügelfläche [m²]
CL = Auftriebsbeiwert
2. Gewichtskraft (W)
Formel: W = m · g
Erklärung:
W = Gewichtskraft [N]
m = Masse des Flugzeugs [kg]
g = Erdbeschleunigung ≈ 9,81 m/s²
3. Schubkraft (T)
Formel: T = ṁ · (vaus − vein)
Erklärung:
ṁ = Massenstrom der Luft [kg/s]
vaus = Geschwindigkeit der ausgestoßenen Luft [m/s]
vein = Geschwindigkeit der angesaugten Luft [m/s]
4. Luftwiderstandskraft (D)
Formel: D = ½ · ρ · v² · A · CD
Erklärung:
D = Luftwiderstandskraft [N]
CD = Widerstandsbeiwert
Gleichgewicht im Horizontalflug
L = W und T = D
Einfluss der Tragflächenform auf den Auftrieb
Frühe Tragflächen orientierten sich stark an der natürlichen Form von Vogelflügeln, wobei vor allem das gewölbte Profil eine zentrale Rolle spielte. Wegweisende Beiträge zur aerodynamischen Gestaltung lieferten Otto Lilienthal mit der Wölbung des Profils und Hugo Junkers mit der Einführung dickerer Profile. Heutige Tragflächen sind meist lang gestreckt und nach außen hin verjüngt, um den induzierten Luftwiderstand durch eine optimale Auftriebsverteilung zu verringern.
Moderne Verkehrsflugzeuge nutzen zusätzlich Winglets an den Tragflächenspitzen. Diese kleinen, aufrecht stehenden Flächenteile minimieren die energiezehrenden Randwirbel, die durch Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite der Flügel entstehen. Winglets verbessern damit die Effizienz des Flugzeugs, obwohl sie die Stärke der Wirbel selbst nicht verändern, sondern lediglich deren Struktur und Wirkung optimieren.
Für Überschallflugzeuge wie die Concorde kommen Deltaflügel zum Einsatz, da sie aerodynamisch besser an die besonderen Effekte des Überschallflugs angepasst sind – etwa an Verdichtungsstöße, bei denen der Luftdruck abrupt ansteigt. Die Pfeilung der Flügel (also die Rückstellung der Vorderkante) hilft, die Luftströmung an die Fluggeschwindigkeit anzupassen.
Allerdings kann eine falsche Kombination von Flügelgeometrien zu unerwünschten Strömungseffekten führen, wie z. B. Grenzschichtablösungen und einer verringerten Wirksamkeit der Querruder. Die Wahl des Flügeltyps ist also immer ein komplexer Kompromiss zwischen Auftrieb, Widerstand, Stabilität und Steuerbarkeit – besonders im Überschallbereich.
Bei welcher Geschwindigkeit hebt ein Flugzeug ab?
Beim Start muss das Flugzeug ausreichend beschleunigen, um eine Mindestgeschwindigkeit zu erreichen. Erst wenn genügend Luft mit ausreichender Geschwindigkeit an den Tragflächen vorbeiströmt, ist der Auftrieb groß genug, um die Schwerkraft zu überwinden. Sobald der Auftrieb stärker als das Gewicht ist, hebt das Flugzeug ab.
Die Mindestgeschwindigkeit, bei der ein Flugzeug abheben kann, ist abhängig von mehreren Faktoren:
- dem Gesamtgewicht des Flugzeugs
- der Größe und Form der Tragflächen (Flügelprofil, Fläche, Spannweite)
- dem Anstellwinkel der Flügel
- der Luftdichte, also Höhe über Meeresspiegel, Temperatur und Luftfeuchtigkeit
- der Konfiguration (z. B. ob Landeklappen ausgefahren sind)
Konkrete Werte:
- Kleine Sportflugzeuge:
etwa 100–150 km/h (etwa 55–80 Knoten) - Verkehrsflugzeuge wie die Boeing 737 oder Airbus A320:
etwa 240–290 km/h (ca. 130–160 Knoten), je nach Beladung - Großraumflugzeuge wie der Airbus A380:
rund 290–310 km/h (ca. 155–170 Knoten)
Die Geschwindigkeit wird nicht am Boden, sondern als wahre Luftgeschwindigkeit in Bezug zur umströmenden Luft gemessen. Sie ist also relativ zur Luft, nicht zur Landebahn. Außerdem zählt der Moment, in dem der Pilot die Nase anhebt und das Flugzeug beginnt zu steigen.
Wie lässt sich das Flugzeug steuern?
Flugzeuge sind mit verschiedenen aerodynamischen Steuerflächen ausgestattet, die gezielt in den Flug eingreifen und dabei vor allem den Auftrieb und die Fluglage beeinflussen. Jede dieser Flächen erfüllt eine bestimmte Funktion und wirkt um eine der drei Achsen des Flugzeugs – Längsachse, Querachse oder Hochachse.
- Die Querruder befinden sich an den äußeren Enden der Tragflächen. Sie ermöglichen das Rollen um die Längsachse, also das seitliche Kippen des Flugzeugs. Wird das eine Querruder nach oben und das andere nach unten bewegt, entsteht ein Unterschied im Auftrieb an den beiden Tragflächen, wodurch sich das Flugzeug in die entsprechende Richtung neigt – eine Voraussetzung für das Einleiten einer Kurve.
- Das Höhenruder ist am Heck des Flugzeugs, meist am horizontalen Leitwerk, angebracht. Es kontrolliert die Bewegung um die Querachse. Wenn das Höhenruder nach oben oder unten ausgeschlagen wird, verändert sich die Fluglage in der Vertikalen – die Nase des Flugzeugs hebt oder senkt sich. Diese Bewegung wird als „Nicken“ bezeichnet und ist besonders beim Steig- oder Sinkflug relevant.
- Das Seitenruder wirkt um die Hochachse und ist im senkrechten Seitenleitwerk integriert. Es ermöglicht die Drehung des Flugzeugs nach links oder rechts – das sogenannte „Gieren“. Diese Steuerung wird vor allem beim Ausgleich von Kurvenbewegungen oder beim Rollen am Boden genutzt.
- Landeklappen sind bewegliche Teile an der Hinterkante der Tragflächen. Sie lassen sich während des Starts oder der Landung ausfahren und verändern dabei die Form und Fläche der Tragflügel. Durch die größere Wölbung wird der Auftrieb erhöht – auch bei niedrigen Geschwindigkeiten. Das hilft, das Flugzeug bei Start und Landung sicher in der Luft zu halten, ohne dass es zu einem Strömungsabriss kommt.
- Spoiler, oft auch Luftbremsen genannt, sind auf der Oberseite der Tragflächen angebracht. Sie können ausgefahren werden, um den Auftrieb gezielt zu reduzieren und den Luftwiderstand zu erhöhen. Spoiler kommen meist im Sinkflug oder beim Aufsetzen auf der Landebahn zum Einsatz, wenn das Flugzeug schnell an Höhe oder Geschwindigkeit verlieren soll. Sie unterbrechen gezielt den Luftstrom über dem Flügel, was die Auftriebskraft verringert und ein schnelleres Sinken ermöglicht.
Was tun bei einem Strömungsabriss?
Der Strömungsabriss (engl. Stall) ist ein aerodynamisches Phänomen, bei dem der Auftrieb eines Flugzeugs plötzlich abbricht. Er tritt auf, wenn der Anstellwinkel – der Winkel zwischen Flügelprofil und anströmender Luft – zu groß wird (meist über 15–18 Grad). Dabei kann die Luft der Flügelkrümmung nicht mehr folgen, löst sich ab und es entstehen Turbulenzen. Der Unterdruck über dem Flügel verschwindet – der Auftrieb sinkt rapide, das Flugzeug kann an Höhe verlieren.
Typische Anzeichen:
-
Plötzlicher Höhenverlust
-
Vibrationen oder Ruckeln
-
Warnungen im Cockpit
-
Träges Steuerverhalten
Maßnahmen zur Behebung:
-
Anstellwinkel verringern (Nase senken)
-
Schub erhöhen (mehr Luftstrom)
-
Flugzeug stabilisieren
Wichtig: Ein Stall ist nicht direkt von der Geschwindigkeit abhängig, sondern vom Anstellwinkel – er kann also auch bei hoher Geschwindigkeit auftreten, etwa bei engen Kurven.
Wie funktioniert die Landung?
Bei der Landung wird das umgekehrte Prinzip genutzt. Der Pilot reduziert den Schub, und der Luftwiderstand übernimmt eine bremsende Rolle. Gleichzeitig verändern bewegliche Elemente an den Flügeln – sogenannte Landeklappen – die Wölbung der Tragfläche. Sie vergrößern die Fläche und erhöhen den Auftrieb bei geringerer Geschwindigkeit. So kann das Flugzeug langsamer fliegen, ohne abzustürzen.
Trotzdem müssen große Verkehrsflugzeuge bei der Landung oft noch mit 250 bis 300 km/h aufsetzen. Ohne diese aerodynamischen Hilfen wären deutlich höhere Landegeschwindigkeiten nötig.
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