Teil 1: EinfĂŒhrung und Auftrieb

Dieser Teil ist der erste von einigen, die die Frage beantworten sollen, warum ein Heli denn nun fliegen kann. Die Reihe basiert auf dem von Florian Gronau und mir verfassten gleichnamigen E-Book. Das gesamte e-Book ist aber zu lang fĂŒr einen einzigen Blog-Beitrag, deshalb haben wir hier kleine leichter verdauliche HĂ€ppchen angefertigt und eine Blog-Reihe draus gemacht. ZunĂ€chst aber das kurze Vorwort aus dem E-Book, das unsere Motivation verdeutlicht:

Vorwort

Als Helikopter-Piloten aus Leidenschaft und Fluglehrer haben wir natĂŒrlich viel mit Hubschraubern zu tun. Und auf RundflĂŒgen werden von den FluggĂ€sten sehr oft Ă€hnliche Fragen gestellt. Die Herausforderung besteht darin, diese Fragen trotz komplexer technischer Materie so zu beantworten, dass sie auch ohne technischen Hintergrund verstanden werden können. Eine besondere Herausforderung sind stets die Selberflieger, die den Hubschrauber nach einer kurzen Einweisung zumindest teilweise selbst steuern sollen. Und das ohne technischen Hintergrund oder anderes Vorwissen, lediglich nach einer Einweisung am Boden von etwa 30-45 Minuten. Da ist ja zum GlĂŒck auch noch das Doppelsteuer, mit dem der Fluglehrer permanent helfen kann. Hinzu kommt eine gehörige Portion Humor und Spass, damit wir nicht vergessen, weshalb wir eigentlich auf diesem Planeten sind. Ziel ist, dass der Schnupperflieger nach der Flugstunde mit einem echten unvergesslichen Erfolgserlebnis aus dem Hubschrauber steigt. Wichtig sind dabei der Fokus auf das Wesentliche und möglichst einfache ErklĂ€rungen. Vor Ihnen liegt der erste Versuch, die Frage warum ein Heli ĂŒberhaupt fliegen kann und wie er gesteuert wird, möglichst genau so zu beantworten. Viel Spass!

Einleitung

WĂ€hrend ein Flugzeug nur bei hohen Geschwindigkeiten vom Erdboden abheben und in der Luft bleiben kann, hebt sich der Hubschrauber einfach aus dem Stand selbst in die LĂŒfte. Er ist dabei in der Lage, nicht nur vorwĂ€rts, seitwĂ€rts und rĂŒckwĂ€rts zu schweben, sondern sich sogar um seine eigene Achse drehen. Wie aber funktioniert das und wie steuert der Pilot diese prĂ€zisen Flugbewegungen? Das sind Fragen, die sich viele Menschen stellen. Zum Beispiel wenn wieder einmal ein Heli ĂŒber das eigene Haus fliegt – sei es der Rettungshubschrauber auf dem Weg zum Einsatz oder einer von der Polizei, der in der Luft stehend ein Gebiet absucht. Oder wer schon einmal selbst einen Rettungshubschrauber brauchte, den Blick von oben aber nicht wirklich genießen konnte. Diese Fragen werden in dieser Blogartikel-Reihe anschaulich und verstĂ€ndlich erklĂ€rt. Wir achten darauf, dass es fĂŒr Personen ohne Vorkenntnisse verstĂ€ndlich ist. Dabei lernen wir unter anderem, was einen Hubschrauber von einem Papierflieger unterscheidet, was er mit einem Deckel im SpĂŒlwasser oder mit BĂŒrostĂŒhlen gemeinsam hat und welche Rolle Bud Spencer dabei spielt. Weil sich der Hubschrauber der gleichen physikalischen Gesetze bedient wie ein Flugzeug, diese ZusammenhĂ€nge aber fĂŒr viele Menschen am Beispiel Flugzeug leichter nachvollziehbar sind, werden wir sie zunĂ€chst am Flugzeug erklĂ€ren, bevor wir den Transfer zum Hubschrauber vollziehen. Los gehts.

Völlig losgelöst: Wie schwere Dinge fliegen lernen

Ein krĂ€ftiger Luftsprung aus den Knien reicht nicht, um guten Gewissens behaupten zu können, man sei geflogen. Vielmehr muss man sich wohl oder ĂŒbel damit beschĂ€ftigen, wie die Anziehungskraft der Erde dauerhaft ĂŒberwunden oder ausgeglichen werden kann. Diese Erd-Anziehungskraft, die alle Objekte zu Boden zieht, heißt Gewichtskraft oder wissenschaftlicher ausgedrĂŒckt „Gravitation“. Sie ist fĂŒr uns sehr nĂŒtzlich – ohne sie wĂŒrden wir etwas unbeholfen in der Gegend herumschweben. Das Bild von im Raum herumschwebenden Objekten ist uns Dank zahlreicher FernsehĂŒbertragungen aus dem Space Shuttle oder der Weltraumstation ISS bekannt. NatĂŒrlich auch aus diversen Sci-Fi-Filmen wie Star Wars, Star Trek, Guardians of the Galaxy, Der Marsianer
 Ă€hem – Sie verstehen, was ich meine. Auf dem Weg zur Bushaltestelle oder durch unsere Wohnung bewirkt sie, dass wir immer auf festem Boden stehen, anstatt etwa wie eine Seifenblase davon zu schweben. Wenn Sie also mit der Absicht zu fliegen, in die Luft gesprungen sind, zieht Sie die Schwerkraft gleich wieder zurĂŒck zur Erde. Der kleine Höhenflug findet ein schnelles Ende und Sie stehen wieder am gleichen Fleck, von dem aus Sie gestartet sind. Es sei denn, Sie stellen sich etwas ungeschickt an und verlieren bei der Landung das Gleichgewicht. Sollten Sie ein Vogel sein, könnten Sie krĂ€ftig genug mit den FlĂŒgeln schlagen, um dieser Kraft entgegenzuwirken und Ihr Allerwertester macht keine mehr oder weniger schmerzhafte Bekanntschaft mit dem Boden.

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Abbildung 1: Das Gewicht trÀumt davon, wie ein Vogel zu fliegen

Wenn wir also wirklich richtig fliegen wollen, benötigen wir eine Kraft, die der Gewichtskraft dauerhaft entgegenwirkt und uns somit lĂ€nger als ein paar Sekunden in der Luft hĂ€lt. Wir haben es dem Schweizer Gelehrten Daniel Bernoulli (1700-1782) zu verdanken, dass wir heute eine solche Kraft bewusst erzeugen können. Er fand vereinfacht ausgedrĂŒckt heraus, dass in einem strömenden Fluid (Gas oder FlĂŒssigkeit) ein Geschwindigkeits-Anstieg auch von einem Druckabfall begleitet wird. Wenn also etwas schneller fliesst, ist gleichzeitig weniger Druck drin. Stellen Sie sich vor, dass ein Gegenstand, der rein zufĂ€llig wie der FlĂŒgel eines Flugzeugs geformt ist, durch die Luft bewegt wird (Abb. 2). Dabei muss sich die Luft beim Auftreffen auf den FlĂŒgel aufteilen. Ein Teil strömt oben vorbei und hat dabei aufgrund der Wölbung des FlĂŒgels einen lĂ€ngeren Weg zurĂŒckzulegen. Der andere Teil strömt an der Unterseite vorbei und hat einen kĂŒrzeren Weg.

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Abbildung 2: Wer den lÀngeren Weg hat, muss schneller sein

Damit sich an der RĂŒckseite des FlĂŒgels die Luft-Teilchen wieder treffen können, mĂŒssen die „Oberen“ mit dem lĂ€ngeren Weg etwas schneller strömen. Dabei nimmt nach Bernoulli an der Oberseite der sogenannte statische Druck ab. Eine Auftriebskraft entsteht, wenn sich Luft schnell ĂŒber die speziell geformte Profiloberseite und langsam ĂŒber die Unterseite bewegt. Die schneller strömende Luft hat einen niedrigeren statischen Druck als die langsamer strömende Luft, sodass der hohe Druck an der Unterseite das Profil anhebt. Die folgenden sehr einfachen Experimente helfen, das zu verstehen.

Experiment 1: Wie hÀngen schnell strömende Luft und Auftrieb zusammen?

Halten Sie ein Blatt DIN A4-Papier an einer der kurzen Seiten waagerecht, sodass die andere Seite aufgrund der Erdanziehungskraft schlapp herunterhĂ€ngt. Pusten Sie nun mit einem Föhn Luft ĂŒber die gewölbte Oberseite des Papiers. Wenn Sie keine Lust haben, jetzt den Föhn aus dem Badezimmer zu holen, reicht auch, wenn Sie drĂŒberpusten. Das Papier hebt sich! Das Ganze funktioniert sogar immer noch, wenn mit Tesafilm kleine Steinchen zur Gewichtserhöhung an die Blatt-Unterseite geklebt werden.

Experiment 2: Wie kann man sich DrĂŒcke und Auftrieb bildlich vorstellen?

Wenn Sie gerade keinen FlugzeugflĂŒgel zur Hand haben, legen Sie stattdessen einfach eine Spielkarte auf Ihre flach ausgestreckten Finger. Die Karte ist nun der FlĂŒgel. Eine zweite Person drĂŒckt von oben auf die Karte. DrĂŒcken beide Personen gleich stark, bewegt sich die Karte nicht. Die Finger entsprechen hier dem Luftdruck auf das ruhende Profil. Nun lassen wir gedanklich Luft ĂŒber das Profil strömen (Abb. 2), der Luftdruck auf der Oberseite nimmt ab und damit auch die Kraft. Im Beispiel bedeutet das: Die zweite Person mit der oberen Hand reduziert den Druck auf die Karte deutlich, wĂ€hrend die erste Person mit der unteren Hand den ursprĂŒnglichen Druck beibehĂ€lt. Die Karte bewegt sich nach oben.

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Abbildung 3: Der frĂŒhe VorgĂ€nger des Airbus A380 hier bei geheimen Tests

Fazit

Der niedrige Druck der LuftmolekĂŒle auf der Profiloberseite ist vergleichbar mit unzĂ€hlig vielen eher schwach drĂŒckenden Fingern, wĂ€hrend der höhere Druck auf der Profilunterseite mit ebenso vielen krĂ€ftiger drĂŒckenden Fingern vergleichbar ist. Die aus diesem Druckunterschied resultierende Kraft wird Auftrieb genannt. Ist diese Auftriebskraft grĂ¶ĂŸer als die Gewichtskraft eines Gegenstandes, verlĂ€sst dieser Gegenstand den Erdboden. Aus unserem kleinen Hopser wird damit endlich ein Flug! Davon könnten vor allem Flugpioniere des spĂ€ten 19. Jahrhunderts ein Lied singen, wenn Sie noch am Leben wĂ€ren. Sie gaben aber trotz zahlreicher Fehlversuche nicht auf und schafften den schwierigen Schritt von unzĂ€hligen kleinen gescheiterten Hopsern zu ernstzunehmenden FlĂŒgen ĂŒber immerhin mehrere Meter. Das oben beschriebene Prinzip – eine Auftriebskraft aufzubringen, die grĂ¶ĂŸer als die Gewichtskraft ist – liegt heute noch allen Flugzeugen zugrunde. Dabei ist es fast egal, wie schwer ein Flugzeug ist, solange eine Kraft erzeugt werden kann, die grĂ¶ĂŸer ist als die Gewichtskraft, die das Flugzeug am Boden festhĂ€lt. Wie? Das ist alles? Ja. Klingt komisch, ist aber so. Aus diesem Grund kann auch das derzeit grĂ¶ĂŸte Passagierflugzeug der Welt, der Airbus A380 ĂŒberhaupt fliegen – sogar mit seinem maximalen Startgewicht von 569.000 Kilogramm. Das entspricht etwa drei erwachsenen Blauwalen. Oder 400 VW Passat. Der A380 kann sogar bis zu 15.200 Kilometer Flugstrecke zurĂŒcklegen! Passat und Blauwal können hingegen immer noch nicht fliegen.

Im nÀchsten Teil:

  • Die physikalischen Grundlagen zum Auftrieb – keine Angst, super easy erklĂ€rt.
  • Wir begleiten ein Flugzeug vom Stand bis zum Abheben – Praxis hautnah. Bitte vor dem Lesen Helm und Brille aufsetzen.

Direkt zum nÀchsten Teil: Warum kann ein Hubschrauber fliegen Teil 2