Beitrag: Auftrieb

Beitrag und Zeichnungen: Rainer Bayer


1. Der statische Auftrieb

(statisch = in Ruhe befindlich, ohne Bewegung)

Heißluftballon, U-Boot und Fisch ... 


2. Der dynamische Auftrieb

(dynamisch = in Bewegung befindlich)


2.1 Allgemeines

Natürlich fliegt ein Flugzeug, weil es Flügel hat. Wir nennen das die "Tragflächen".

Das reicht uns im Fach Technik aber nicht als Antwort, denn wir könnten dann kein Flugmodell selbst konstruieren.


2.2 Druck, Überdruck und Unterdruck

Hier auf der Erdoberfläche, auf der wir leben, herrscht ein Druck von ungefähr einem Bar.

Bläst man einen Luftballon auf, so muss man Kraft aufwenden und erzeugt einen zusätzlichen Druck im Ballon von etwa 0,5 Bar im Verhältnis zu dem einen Bar außerhalb des Luftballons.

Insgesamt herrscht also im Luftballon ein Druck vo 1,5 Bar und eben 0,5 Bar Überdruck.

Im Autoreifen herrscht im Schnitt ein Überdruck von 2,5 Bar und ein absoluter Druck von 3,5 Bar, wenn man das eine Bar mit einrechnet, das ohnehin auf dem Erdboden herrscht.

Schiebt man eine Luftpumpe zusammen, so erzeugt man ungefähr 3 bis 4 Bar Überdruck und mit 3,5 Bar Überdruck ist ein Fahrradreifen auch gut gefüllt.

Den Druckunterschied kann man sich beim Luftballon so vorstellen:

luftballon punkte bearb


Die Luftteilchen (Atome und Moleküle) im Ballon stehen unter Druck und haben einen kleineren Abstand voneinander (eben 1,5 Bar) und außerhalb des Luftballons haben die Luftteilchen einen größeren Abstand (eben 1 Bar). 

Das, was man mit den Pünktchen schön darstellen kann, gelingt auch mit Linien:

luftballon linien bearb

Im Luftballon sind die Linien enger zusammen als außerhalb.


2.3 Druckunterschiede an der Tragfläche des Flugmodells

2.3.1 Die ebene Tragfläche

Sie hat zur anströmenden Luft einen Anstellwinkel.

Dadurch wird die Luftströmung an der Oberseite auseinandergezogen. Die Luftteilchen entfernen sich voneinander. Es kommt hier zu einem Unterdruck. An der Oberseite entsteht also ein Sog.

flachprofil druckverhaeltnisse bearb

Auf der Unterseite werden die Luftteilchen zusammengepresst und es kommt zu einem Überdruck.  


Oberseite: Unterdruck

Unterseite: Überdruck


Ergebnis: Der Unterdruck zieht die Tragfläche nach oben und der Überdruck drückt die Tragfläche nach oben.

Diese Kraft nennen wir den "dynamischen Auftrieb".

Diese Auftriebskraft muss größer sein als das Gewicht des Flugmodells.

Deshalb braucht das Flugzeug eine gewisse Geschwindigkeit, damit genügend Luft auf die Tragfläche strömt, um genügend Unter- und Überdruck zu erzeugen und damit genügend Auftrieb.


2.3.2 Der Auftrieb wird erhöht

Die Natur hat schon lange vor den Flugkünsten des Menschen einen ganz raffinierten "Trick" entwickelt, um den Auftrieb bei den Vögeln noch weiter zu erhöhen: Sie hat beispielsweise den Störchen eine ganz bestimmte Flügelform gegeben, um noch besser segeln zu können!

Das hat schon der erste bekannte "Flieger" Otto Lilienthal vor über 130 Jahren erkannt.

profil druckverhaeltnisse bearb

Hier ist der vereinfachte Querschnitt durch so einen "Storchenflügel"


Man sieht, dass die Luftteilchen wegen der Wölbung an der Oberseite einen größeren Weg von links nach rechts zurücklegen müssen als die Luftteilchen an der Unterseite. Dadurch wird ein noch größerer Unterdruck an der Oberseite erzeugt.

Zusätzlich zum Anstellwinkel bringt also dieser "Wölbungseffekt" der Tragfläche einem Flugmodell noch weiteren Auftrieb. In der Natur können etwa Bussarde oder Milane stundenlang in der Luft kreisen, ohne mit den Flügeln zu schlagen!

Diese Erklärung des dynamischen Auftriebs bei profilierten Tragflächen ist aber unvollständig und das Drucksystem als Auftriebserzeuger wird oft als vernachlässigbar bewertet.

Zu den Druckzuständen kommt natürlich auch, dass die gewölbte Oberseite der Tragfläche den Luftstrom an der Hinterkante nach unten ablenkt. Als Gegenkraft nach oben wird auch wieder Auftrieb erzeugt.

Schön beschrieben hat diese aerodynamischen Vorgänge die Flugmodellbau-Ag der Wollenbergschule in Wetter.

In Wirklichkeit sind die Verhältnisse wesentlich komplizierter und die "Druckerklärung" berücksichtigt noch nicht die komplexen Vorgänge um die "Grenzschicht", den "statischen", den "dynamischen" Druck und die Zirkulationsströmung ...

Rita Wotzinski hat die komplexeren Vorgänge hier nochmal übersichtlich zusammengefasst.

Schließlich bezweilfeln einige Fachleute, dass man den Auftrieb so einfach erklären kann. Ein Beispiel dafür, dass den Augen der Wissenschaft doch einiges verborgen sein könnte, bringt dieser Artikel.


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Zum Weiterlesen 4            Strömungsabriss             Vogelflug und Auftrieb 

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Bericht Rainer Bayer