Die vier Kräfte
Auf ein fliegendes Flugzeug wirken vier Kräfte: Auftrieb, Gewicht, Vortrieb und Wiederstand.
Auftrieb
Auftrieb ist die Kraft, die durch die Flügel erzeugt wird, wenn das Tragflügelprofil (der Querschnitt der Flügel) durch die luft bewegt wird. Der "relative Wind" (der Wind,der das Flugzeug und die Tragflächen umströmt) ist ein wichtiger Faktor für die Erzeugung von Auftrieb.
Auftrieb wirkt senkrecht zur Tragfläche.
Auftrieb entsteht, wenn die Luft auf der Oberseite des Tragflügelprofils einen längeren Weg zurücklegen muß als auf der Unterseite. Während die Luft diesen Weg zurücklegt, wird der obere Teil des luftstroms beim Versuch, am Ende der Profilhinterkante ein Gleichgewicht herzustellen, beschleunigt. Die sich schneller bewegende Luft an der Oberseite übt weniger Druck auf das Flügelprofil aus als die langsamere Luft auf der Unterseite. (Hier gilt der physikalische Lehrsatz von Bernoulli: p[Druck] * v [Geschwindigkeit] = konstant. Dadurch wird ein Auftriebseffekt über die Tragfläche erzeugt, der dem Gewicht des fliegenden Flugzeugs entgegenwirkt und die Wirkung der Schwerkraft überwindet
Anstellwinkel
Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der anströmenden Luft und der Profilsehne der Tragfläche. Er sollte nicht mit dem Einstellwinkel verwechselt werden, der der feste Winkel zwischen der Profilsehne der Tragfläche und der Flugzeug-Längsachse ist.
Der Anstellwinkel wird durch die Höhenruder kontrolliert. Durch das Ziehen am Steuerknüppel werden die Höhenruder angehoben. Die anströmende Luft drückt das Heck nach unten ( und die Nase nach oben), so daß die Tragflächen in einen neuen Anstellwinkel gebracht werden. Mit dem neuen Winkel wird die scheinbare Wölbung des Profils größer, und für kurze Zeit wird mehr Auftrieb erzeugt. Allerdings erzeugt der größere Anstellwinkel auch mehr Widerstand, so daß sich das Flugzeug verlangsamt und das Gleichgewicht wiederhergestellt wird ( Selbst wenn das Flugzeug noch steigt).
Ein noch unerfahrener Pilot denkt möglicherweise, daß der grund für das Steigen des Flugzeuges der vergrößerte Anstellwinkel ist. Bei vergrößertem Anstellwinkel wird das Flugzeug jedoch wegen des Luftwiderstands bei geringereren Fluggeschwindigkeit und vergrößertem Anstellwinkel auch zusehend langsamer. So vergrößert der der Pilot den Anstellwinkel, bis dieser so groß wird, daß die Luft nicht länger glatt über die Tragfläche streichen kann. Das führt zu einem Stömungsabriß gibt der Motor zwar vielleicht noch das gewöhnte Geräuch von sich, allerdings ist der Auftrieb zusammengebrochen, so daß die Tragflächen das Flugzeug nicht länger tragen können. Um den Strömungsabriß wieder zu beseitigen, muß der Anstellwinkel des Flugzeugs verringert werden, damit der Luftstrom für den Auftrieb wiederhergestellt werden kann. Bei den meisten leichten Flugzeugen beträgt der maximale Anstellwinkel, bei dem der Strömungsabrißauftritt, ca. 15 Grad.
Auch die Luftdichte beeinflußt den Auftrieb.
Die Luftdichte nimmt mit steigenden Höhen und steigenden Temperaturen ab. Flugzeuge benötigen an warmen Tagen oder auf höhergelegenen Flughäfen wegen der geringeren Luftdichte längere Startwege. Davon sind nicht nur die Tragflächen betroffen, die dünnere Luft führt auch zu Leistungsverlusten beim Motor. Da ein Propeller im Prinzip einen rotierenden Tragflächen ist, verliert auch er an Auftrieb, oder besser gesagt, Vortrieb. Der Auftrieb bleibt beim Steigen, Sinken und Geradeausflug mit gleicher Flugeschwindigkeit fast konstant.
Vortrieb
Der Vortrieb wird durch einen Probeller oder ein Düsentriebwerk erzeugt. Nach Newtons Gesetz gibt es für jede Reaktion eine Gegenreaktion. Der Propeller oder das Triebwerk beschleunigen große Luftmassen in Richtung des Flugzeughecks. Die Gegenreaktion ist, daß sich das Flugzeug vorwärts bewegt.
Definition von Kraft
Schub ist eine Kraft und wird in Kilopound bzw. Newton gemessen, genau wie die drei anderen Kräfte ( Auftrieb, Gewicht und Wiederstand). Eine Kraft ist als eine Spannung, ein Gewicht oder ein Druck definiert. Eine Kraft kann auf einen Gegenstand wirken, ohne daß sich dieser bewegt. Wenn er sich bewegt, wird Arbeit verrichtet. Arbeit im physikalischen Sinn ist Kraft mal Weg. Wenn ihr euren 10 kg schweren PC drei Meter hochheben, habt ihr 30 Kilogramm-Meter (kg m) Arbeit verichtet. Wenn ihr einen 30 Kilogramm schweren PC einen Meter vom Boden hochhebt, habt ihr die selbe Menge Arbeit verrichtet, egal ob ihr einen Tag dafür gebraucht habt oder nur ein paar Sekunden. Wenn ihr einen Tag dafür gebraucht habt, habt ihr nicht soviel Kraft entwickelt. Die Kraft, die benötigt wird, um den 10 Kilogramm schweren PC in 1 Sekunde 2 Meter hochzuheben, wird durch folgende Formel ausgedrückt:
Kraft=20 kg m/s (Kilogramm Meter pro Sekunde)
Die gebräuchlichste Einheit zum Messen von Motorkraft sind PS (Pferdestärken) oder kw (Kilowatt). Ein PS entspricht 0,73 kW bzw. 75 kg m/s
Der Motor eines Flugzeuges entwickelt Leistung und treibt den Propeller an, der Vortrieb erzeugt. Im geraden Horizontalflug sind Vortrieb und Widerstand des Flugzeugs gleich.
Bei leichten Trainingsflugzeugen mit Festpropeller wird die Leistung auf dem Drehzahlmesser in Umdrehungen pro Minute angegeben. Die Motorleistung wird durch denGashebel gesteuert. Um mehr Leistung zu bekommen, wird er nach vorne gezogen oder "geöffnet", und um weniger Leistung zu bekommen, nach vorne geschoben oder "geschlossen". Man verwendet den Gashebel, um eine bestimmte Drehzahl für die verschiedenen Erfordernisse des Fliegens einzustellen.
Torque-Effekte
Da der Propeller eine sich drehende Tragfläche ist, treten bestimmte Nebeneffekte auf. Dazu gehört unter anderem der Widerstand durch die Verwirbelung des Propellerluftstroms. Weiterhin gehört dazu die Tendenz des Flugzeuges, sich in Gegenrichtung zum Propeller zu drehen. Manche Flugzeughersteller verringern diesen Effekt, indem sie die linke Tragfläche mit einem größeren Einstellwinkel versehen. Somit wird auf der linken Seite mehr entgegengewirkt.
Zwei weitere Faktoren, die zu den Torque- Effekten beitragen, sind die nur geringfügig bemerkbaren gyroskopischen Präzission und asymmetrische Lastfaktoren. Gyroskopische Präzission tritt bei Veränderungen der Fluglage auf.
Asymmetrische Lastfaktoren treten normalerweise auf, wenn das Flugzeug mit einem konstanten, positiven Anstellwinkel fliegt. Das sich nach unten bewegende Propellerblatt (vom Cockpit aus gesehen rechts) hat einen höheren Anstellwinkel und liefert mehr Vorschub als das sich abwärts bewegende Propellerblatt. Dies führt zu einer Bewegung nach Links.
Verwirbelungen
Der Propeller dreht sich vom Cockpit aus gesehen im Uhrzeigersinn. Dadurch wird eine sich drehende Luftmasse in Richtung des Flugzeughecks beschleunigt. Diese Luftmassen treffen auf das Seitenleitwerk und verursachen damit eine Gierbewegung des Flugzeugs nach links. Es muß rechtes Seitenruder gegeben werden, um das Flugzeug auf einem geraden Kurs zu halten. Diese Reaktion nimmt mit steigender Leistung zu und ist insbesondere während des Starts und des Steigfluges besonders kritisch.
Der Propeller dreht sich vom Cockpit aus gesehen im Uhrzeigersinn. Dadurch wird eine sich drehende Luftmasse in Richtung des Flugzeughecks beschleunigt. Diese Luftmassen treffen auf das Seitenleitwerk und verursachen damit eine Gierbewegung des Flugzeugs nach links. Es muß rechtes Seitenruder gegeben werden, um das Flugzeug auf einem geraden Kurs zu halten. Diese Reaktion nimmt mit steigender Leistung zu und ist insbesondere während des Starts und des Steigfluges besonders kritisch.
Widerstand
Ein sich durch die Luft bewegendes Flugzeug erzeugt Wiederstand. Widerstand wirkt parallel und in der gleichen Richtung wie die anströmende Luft. Der Gesamtwiderstand besteht aus parasitärem und induziertem Widerstand.
Parasitärer Widerstand wird durch hervorstehende Teile wie etwa Fahrwerk, Antenne und Tragflächen sowie Reibung an der Außenhaut, Kühlerluftstrom und Interferenzen zwischen verschiedenen Komponenten verursacht.
Der Parasitäre Widerstand nimmt im Quadrat zur Geschwindigkeit zu. Wird die Geschwindigkeit verdoppelt, vervierfachen sich die Kräfte und somit auch der parasitäre Widerstand.
Der induzierte Widerstand entsteht durch den erzeugten Auftrieb. Die anströmende Luft veruscht, am Ende der Tragflächen den Druckunterschied wieder auszugleichen, und bildet dabei Verwirbelungen, die sich in einer rückwärtsgerichteten Komponente bemerkbar machen. Die stärke der Verwirbelung ist proportional zum erzeugten Auftrieb. Sie nimmt mit größerem Anstellwinkeln zu, daher werden die Verwirbelungen um so stärker, je langsamer das Flugzeug fliegt.
Gewicht
Die vierte Kraft, die auf eine Flugzeug einwirkt, ist das Gewicht. Die Schwerkraft is immer erdwärts gerichtet. Im Horizontalflug gleichen sich Auftrieb und Gewicht aus, im Steig- oder Sinkflug sind Auftrieb und Gewicht dagegen nicht ausgeglichen (Sinkflug: Auftrieb kleiner als Gewicht, Steigflug: Auftrieb größer als Gewicht.)[img][img][img][/img][/img][/img]