Aerodynamische Kräfte

Wenn sich ein Körper relativ zur Luft bewegt, dann übt er eine Kraft auf die Luft aus, und die Luft übt eine gleichgroße Gegenkraft auf den Körper aus (drittes Newtonsches Gesetz).

Die Komponente dieser Luftkraft in Richtung der anströmenden Luft nennt man den Luftwiderstand.

Die verbleibende Komponente der Luftkraft ist senkrecht zu Anströmungsrichtung. Wenn sie in Gegenrichtung zum Gewicht des Körpers wirkt, dann wird sie als Auftrieb bezeichnet. Wegen dieses Auftriebs können Vögel, Flugzeuge und auch Hubschrauber fliegen.

Beobachtungen

Hält man eine Fläche in den Wind, etwa eine Hand oder ein Brett, dann spürt man unmittelbar die Luftkraft. Man kann dabei klar den genannten Widerstand und den quer zum Wind wirkenden Auftrieb erkennen. Beide hängen davon ab, wie die Fläche zum Wind geneigt ist.

Physikalische Erklärungen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Luftkraft und insbesondere den Auftrieb physikalisch zu erklären. Hier sollen drei angesprochen werden, von denen die letzte allerdings nicht akzeptabel ist.

Auftrieb durch Druckunterschied

Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke in der Umgebung eines umströmten Körpers lassen sich messen. Es zeigt sich, daß der Druck auf der Rückseite einer geneigten Fläche niedriger und auf der Vorderseite höher als der Umgebungsdruck fern vom Körper ist.

Dieser Druckunterschied multipliziert mit der Größe der angeströmten Fläche ist die Luftkraft bestehend aus Auftrieb und Widerstand.

Auftrieb durch Impulsänderung

Wenn Luft auf eine zur Strömungsrichtung etwas angestellte Fläche trifft, dann ändert sich dabei der Impuls der Luft. Senkrecht zur ursprünglichen Richtung entsteht beobachtbar durch Umlenkung der Luft eine neue Impulskomponente. Dies geht zu Lasten der Komponente in Anströmrichtung und verringert sie.

Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ergibt sich dadurch senkrecht zur Anströmung die Auftriebskraft. Die Verringerung in Anströmrichtung ergibt den Widerstand.

Auftrieb durch Unterschiede in der Umströmungsgeschwindigkeit

Häufig wird gesagt, Tragflächen von Flugzeugen hätten eine gewölbte Oberseite und eine ebene Unterseite. Wenn nun Luft solch Profil anströmt, dann müsse sie entlang der konvexen Oberseite schneller strömen als entlang der Unterseite, damit sie trotz verschieden langer Wege gleichzeitig die Hinterkante des Profils erreiche.

Mit höherer Geschwindigkeit ist nach dem Gesetz von Bernoulli ist geringerer Druck verbunden. Dadurch entstünde eine Druckdifferenz und somit die Auftriebskraft.

Diese Erklärung des Auftriebs ist aus folgenden Gründen nicht haltbar.

Die wenigsten Tragflächen von Flugzeugen haben die genannten Profile.
Selbst wenn sie so ein Profil hätten, könnte man damit Rückenflug machen.
Eine dünne gewölbte Fläche kann Auftrieb erzeugen, obwohl Ober- und Unterseite gleiche Längen haben.
Einfache Versuche zeigen, daß bereits ein ungewölbtes dünnes Brett Auftrieb erzeugt, wenn man es nur etwas gegen den Wind anstellt. Ebenso können dann auch symmetrische Profile Auftrieb liefern.
Ein Gesetz, das die genannte gleichzeitige Ankunft der beteiligten Luftanteile fordert, gibt es nicht.

Wölbung ist also nicht entscheidend für die Entstehung von Auftrieb.

Das Bernoulli-Gesetz sagt zwar zu Recht, je größer die Geschwindigkeit in einer Strömung ist, um so geringer ist der statische Druck darin. Es sagt aber nicht, ob die Geschwindigkeit die Ursache für den Druck oder der Druck die Ursache für die Geschwindigkeit ist.

Bei der Beschreibung der Auftriebsentstehung wäre es deshalb – anders als bei diesem Erklärungsversuch – sinnvoll zu sagen:

Ursache für eine erhöhte Geschwindigkeit ist ein Unterdruck auf der Rückseite der umströmten Fläche, also in ihrem Windschatten, und als Folge davon strömt Luft zum Ausgleich dorthin.

Diese hier genannte populäre dritte Erklärung des Auftriebs mag zwar beeindruckend klingen und wird deshalb wohl auch gern verwendet. Sie ist aber schlicht falsch.