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Gliederung:
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1. Einleitung
2. Luftfahrtgeschichte - Zeitreise
3. Bau des Flugzeugs
4. Warum fliegt ein Flugzeug? Physikalische Vorgänge am Flugzeug erklärt
5. Hubschrauber
6. Fliegen nach dem Vorbild der Natur
7. Abschluss/Quellenangabe
Einleitung / Luftfahrtgeschichte - Zeitreise
Fliegen zu können ist einer der ältesten Träume der Menschheit. Einer griechischen Sage nach ist er für Ikarus bereits in der Antike wahr geworden. Tatsächlich gelang es mutigen Tüftlern und Erfindern erst Ende des 19. Jahrhunderts ihren Traum zu verwirklichen. Einige dieser "Pioniere der Luftfahrt" verloren bei Flugversuchen ihr Leben. Heute ist Fliegen für uns selbstverständlich. Man fliegt in den Urlaub und Drachenfliegen oder Paragliding bereichern unsere Freizeit. In diesem Vortrag werden die Grundlagen des Fliegens näher gebracht. Als erstes ein Blick auf die Geschichte der Luftfahrt und ihre Entwicklung:
Schon Leonardo da Vinci hatte die Idee von einem Fluggerät, das mit Muskelkraft betrieben wird. Doch diese Idee blieb leider erfolglos. Erst den Brüdern Montgolfier gelang es in den Himmel zu steigen - allerdings mit einem Heißluftballon. Heißluftballon im Französischen bedeutet nämlich Montgolfier. Bis Ende des 19. Jahrhunderts ließ die "Erfindung" des Flugzeugs auf sich warten. Otto von Lilienthal baute 1891 den ersten Hängegleiter. Er unternahm an die 2500 Flugversuche und erreichte mit seinem einflügeligen und zerbrechlichen Fluggerät eine Weite bis zu 300 Meter. Zwei Jahre nach seinen bahnbrechenden Erfolgen jedoch stürzt er mit seinem Gleiter aus 15 Metern Höhe ab und brach sich das Rückgrat. Er starb einen Tag später in Berlin. Seine grundlegenden Untersuchungen führten später zur Verwirklichung des ersten Motorfluges der Gebrüder Wright. Ihr Flugzeug, der Doppeldecker "Flyer 1", legte in 12 Sekunden 35 m zurück. Es soll das erste steuerbare Flugzeug der Welt gewesen sein. Dieser Flug, der am 17. Dezember 1903 stattfand, ist die Grundlage fast aller Flüge, die auch heute durchgeführt werden. Es war eine enorme Leistung mit einem Fluggerät der Schwerkraft zu trotzen und auch noch ein zuverlässiges Steuerungssystem zu entwickeln. Natürlich gibt es viele Auffassungen über den ersten Motorflug. So wird beispielsweise behauptet, dass Franke Gustav Weisskopf zwei Jahre vor den Gebrüdern Wright den ersten Motorflug unternommen hat.
Nach den zukunftsweisenden Ideen Otto Lilienthals, der Gebrüder Wright, vielleicht auch Franke Gustav Weisskopf, wurde die Flugzeugentwicklung immer weiter vorangetrieben. Besonders im 1. Weltkrieg spielten Flugzeuge eine wichtige Rolle. Sie waren eine wichtige Waffe im Krieg. Im Jahr 1927 gelang Charles Lindbergh der erste Transatlantikflug von New York nach Paris. Später dann wurde der zivile Luftverkehr eingeführt. Leider hatte der Luftverkehr damals keinen guten Ruf. Nach dem Absturz der Hindenburg 1937 und anderer ziviler Flugzeuge verlor man das Vertrauen in die Fluggesellschaften. Erst nachdem das Flugzeug sicherer geworden war und man Erfolge wie das Durchbrechen der Schallmauer und den ersten nonstop Flug Ende der 40er Jahre feiern konnte, boomte das Flugwesen. Nicht nur Menschen wurden von einem Ort zum anderen transportiert, sondern auch Waren. 1970 nimmt das bisher größte im Streckeneinsatz befindende Passagierflugzeug, die Boeing 747, ihren Betrieb auf. Trotz einiger Rückschläge durch zum Beispiel die terroristische Anschläge wie im September 2001 ist das Flugzeug das sicherste, schnellste und manchmal auch billigste Transportmittel. Im Jahr 2005 wurde der A 380, das bisher größte Passagierflugzeug gebaut.
Bau des Flugzeugs
Flugzeug = Sammelbegriff für Flugobjekte
Flugzeug
mit Starrflügelflächen Drehflügler Schwingenflügler
(z.B. Hubschrauber) (z.B. Spielzeugflugzeuge)
mit Eigenantrieb ohne Eigenantrieb
(z.B. Boeing 747) (z.B. Segelflugzeug)
Das Flugzeug ist ein Sammelbegriff für Flugobjekte, die im Gegensatz zum Ballon schwerer sind als Luft und normalerweise mechanisch angetrieben werden. Man unterteilt ein Flugzeug in folgende Gruppen:
Ein Flugzeug besteht im Groben aus einem, heute stählernen, Rumpf, Tragflächen, dem Leitwerk, dem Fahrwerk und meist irgendeiner Form von Antrieb. Bei den heutigen Flugzeugen hat sich die Form von einem Paar Tragflächen durchgesetzt. Doch früher, in der Anfangszeit, gab es sowohl Doppeldecker als auch Flugzeuge mit drei oder sogar vier Tragflächen. Das hatte Vor- aber ebenso Nachteile. Je mehr Tragflächen man hat, desto mehr Auftrieb und Rücktrieb entstehen. Doch Auftrieb und Rücktrieb wird erst im nächsten Punkt erläutert.
Auch die Tragflächen haben heute noch andere Aufgaben als früher. Bei (großen) Passagierflugzeugen wird in ihnen und in Teilen des Rumpfes der Treibstoff gelagert.
Die Tragflächen sind, je nach Verwendung, unterschiedlich groß und haben verschiedene Formen. Ein Überschallflugzeug ist zum Beispiel pfeilförmig mit kleinen Tragflächen, um den Verdichtungsstoß, beim "Durchbrechen" der Schallmauer, zu verringern. Ein Jumbo dagegen hat große Tragflächen, damit er viel Auftrieb bekommet und so die Masse an Passagieren und/oder Fracht sicher transportiert werden können.
Das Leitwerk dient zur Steuerung des Flugzeugs. Man nennt den feststehenden Teil der waagerechten Ruderfläche Höhenflosse und den beweglichen Teil Höhenruder. Diese Flächen lassen das Flugzeug nach oben oder unten fliegen, oder es kann sich durch diese um seine eigene Achse drehen.
Das Fahrwerk eines Flugzeuges ist ein sehr wichtiger Teil. Es muss große Belastungen bei Starts und Landungen aushalten und dabei Erschütterungen so gering wie möglich halten. Deshalb besteht es aus sehr vielen hydraulischen Einzelteilen, die das alles gewährleisten. Heutzutage gibt es eine Menge Fahrwerkstypen, aber am gebräuchlichsten sind folgende zwei: das ältere Zweiradfahrwerk und das Bugradfahrwerk, welches heute oft Verwendung findet, da es das Landen von großen Flugzeugen erleichtert.
Warum fliegt ein Flugzeug?
Das Zusammenspiel der Kräfte beim Fliegen lässt sich gut am Flugzeug veranschaulichen (Bild). Der Auftrieb gleicht das Gewicht aus, der Vortrieb (Schub), den die Triebwerke erzeugen, überwindet den Widerstand. Ein Flugzeug beginnt zu steigen, wenn der Auftrieb größer ist als die Gewichtskraft. Auftrieb ist die Kraft, die einen speziell geformten Körper gleichzeitig nach oben zieht und von unten her drückt. In der Physik unterscheidet man zwei Arten von Auftrieb: den statischen und den dynamischen Auftrieb. Der statische Auftrieb ist bei unbewegten Körpern wie den Heißluftballonen zu beobachten. Im Gegensatz dazu muss beim dynamischen Auftrieb entweder das fliegende Objekt oder die umströmende Luft in Bewegung gesetzt werden. Also entweder bewegt sich das Flugzeug oder die Luft bewegt sich für das Flugzeug. Da die Luft bei einem Jumbo-Jet leider nichts ausrichten kann, muss sich dieser selber bewegen um fliegen zu können. Wie es nun ein Flugzeug schafft zu fliegen, werdet ihr jetzt gleich erfahren. Beim dynamischen Auftrieb gibt es zwei ganz bestimmte Druckverteilung an den Tragflächen eines Flugzeugs. Über dem Flügel entsteht ein Unterdruck und unter dem Flügel ein Überdruck. Die Form eines Flügels ist deshalb im Profil tropfenähnlich und zum Ende hin verjüngend. Aufgrund dieser Form muss die Luft, die über die Flügeloberseite strömt, einen längeren Weg zurücklegen als die, die unten lang strömt. Dabei ist die Luft, die über der Tragfläche entlang strömt sogar noch schneller, als die unter der Tragfläche. So entsteht ein Überdruck an der Unterseite und ein Unterdruck an der Oberseite der Tragfläche. Dieser Unterdruck saugt das Flugzeug förmlich nach oben, der Überdruck schiebt von unten - das Flugzeug fliegt in der Luft. Dieser Sog-Effekt ist nach dem Physiker Daniel Bernoulli benannt. Den Effekt kann man mithilfe eines kleinen Experiments veranschaulichen (Experiment: die Ecken eines DIN A4 Blattes werden übereinander gelegt. Diesen improvisierten Flügel legt man mit dem Ende an die Lippe und pustet. Es ist zu beobachten, dass sich der Flügel nach oben bewegt = Bernoulli Effekt).
Ein Beispiel: Fliegt ein Flugzeug auf einem waagerechten Kurs, gleicht der von den Flügeln und den anderen Bauteilen beigetragene Auftrieb das Gewicht des Flugzeugs aus. Wenn der Anstellwinkel bei gleich bleibender Geschwindigkeit erhöht wird, wird das Flugzeug bis zu einem gewissen Grad steigen. Wird der Anstellwinkel verringert, d.h., wird der Flügel nach unten geneigt, verliert das Flugzeug an Auftrieb und beginnt zu sinken. Außerdem wird ein Flugzeug aufsteigen, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird, und sinken, wenn die Geschwindigkeit verringert wird. Diese Theorie wollen wir euch dann noch praktisch demonstrieren. Zusammenfassend kann man sagen, dass der Auftrieb das Flugzeug in der Luft hält. Aber irgendwie muss sich das Flugzeug auch vorwärts bewegen. Mittels des Antriebs der Triebwerke muss das Flugzeug genug Vortrieb erzeugen, um den Widerstand zu überwinden. Der Widerstand ist bedingt durch Reibung am Flugzeug. Es gibt verschiedene Arten von Vortrieb: Vortrieb ohne Eigenantrieb (z.B. Lilienthals Flugmaschine bzw. Segelflieger), Vortrieb mit Muskelkraft (z.B. Leonardo da Vincis Entwürfe) und der Vortrieb heutiger Flugmaschinen. Maßgeblich am Vortrieb beteiligt ist das Flugwerk und die sich dort befindlichen Turbinen. Turbinen sind Vorrichtungen zur Umwandlung von einer Strömung (kinetische Energie) in eine Drehbewegung (ebenfalls kinetische Energie). Natürlich muss das Flugzeug erst einmal vom Boden abheben, bevor es in den Himmel steigen kann. Daher braucht jedes Flugzeug, abhängig von Gewicht und der tragenden Fläche, eine gewisse Mindestgeschwindigkeit. Wenn diese Geschwindigkeit unterschritten wird, wird der Flügel nicht mehr glatt umflossen und das Flugzeug fällt wie ein Stein vom Himmel. Doch oft werden die Strömungsverhältnisse absichtlich verändert z.B. um den Landeanflug zu beginnen. Dabei werden die sogenannten Landeklappen ausgefahren, die die Wölbung des Flugzeugs verstärken und es abbremsen können. Sollte dies nicht passieren, müsste ein Jumbo-Jet mit 400 km/h statt der üblichen 260 km/h aufsetzen.
Hubschrauber
Nachdem wir die physikalischen Vorgänge am Flugzeug demonstriert und erklärt haben, wollen wir kurz den Bereich Hubschrauber anreißen. Er ist, neben dem Flugzeug, eines der wichtigsten Transportmittel in der Luft.
Doch er hat entscheidende Vorteile gegenüber dem Flugzeug. So zum Beispiel kann er senkrecht starten, landen oder sogar einfach über einem Punkt schweben, weshalb er beispielsweise in der Land- und Wasserrettung sehr oft und gerne eingesetzt wird.
Doch wie fliegt eigentlich ein Hubschrauber?
Auch ein Hubschrauber macht sich das Prinzip des Auftriebs zunutze.
Die Rotorblätter eines Hubschraubers sind wie Flügel eines Flugzeuges. Wenn sich der Rotor dreht, erzeugen diese, senkrecht zueinander angeordneten, drehbar gelagerten, "Tragflächen" Auftrieb und der Helikopter hebt ab. Um nun nach vorn fliegen zu können, werden die Rotorblätter vorn nach unten gekippt. So entsteht hinten mehr Auftrieb als vorn und der Hubschrauber fliegt vorwärts. Um rückwärts zu fliegen, werden die Rotorblätter hinten nach unten gekippt. So entsteht vorn mehr Auftrieb als hinten und der Hubschrauber fliegt rückwärts. Nach dem gleichen Prinzip können Helikopter auch nach rechts und links fliegen.
Jedoch benötigt ein Helikopter, zum Ausgleich der Drehbewegung des Hauptrotors, noch einen Heckrotor, welcher durch seine Drehbewegung den Hubschrauber stabilisiert.
Eine zweite Form des Ausgleichs ist das NOTAR (No Tail Rotor).
Fliegen nach dem Vorbild der Natur
"Das wir uns die Vögel zum Muster nehmen müssen, wenn wir danach streben, die das Fliegen erleichternde Prinzipien zu entdecken, und demzufolge das aktive Fliegen für den Menschen zu erfinden, dieses geht aus den bisher angeführten Versuchsresultaten eigentlich ohne weiteres hervor."
Dieses Zitat von Otto von Lilienthal stammt aus seinem 1889 veröffentlichten Buch. Sein Traum vom Fliegen wurde 1891, wie vorhin bereits gesagt, wahr. Er beobachtete Möwen und Störche für seine Recherchen. Besondere Aufmerksamkeit schenkte von Lilienthal den Flügeln. Er wollte sie in veränderter Form übertragen, um das Fliegen zu ermöglichen. Bald erkannte er jedoch, dass dies nicht so einfach ist. Man bräuchte seiner Meinung nach viel mehr Muskeln als gewöhnlich und einen gewaltigen, stabilen, aber auch gleichzeitig beweglichen Flügel. Nach seinen jahrelangen Forschungen und physikalischen Untersuchengen baute er dann einen Gleiter, dessen Flügel nach dem Vorbild der Natur gebaut wurden. Aber warum nahm Otto von Lilienthal keine Insekten für seine Studien? Insekten sind filigrane Flieger und haben eine äußerst komplizierte Flugtechnik. Sie eignen sich auch nicht besonders zur technischen Nachahmung. Lilienthals Ergebnisse sind Vorreiter des ersten Motorflugs und somit des gesamten Flugwesens. Auch heute sind noch Gemeinsamkeiten zwischen Vogel und modernen Flugzeugen sichtbar.
Flugzeug
Vogel
Flügel:
Funktion
§ Auftrieb
§ Auftrieb
§ Vortrieb
Aufbau:
§ Tragwerk
§ Leitwerk
§ Leichtbauweise
§ Hautsäume
§ Schwungfedern
§ hohle Knochen
Form:
§ tropfenähnlich
§ zum Ende hin verjüngend
§ gewölbt
§ je nach Flugfunktion geformt
Vortrieb
entsteht durch:
§ Triebwerke
§ Flügelschlag
§ Drehen der Flügel
Auftrieb:
Art:
§ dynamischer Auftrieb
§ dynamischer Auftrieb
entsteht durch:
§ Flügel
§ Flügel
Warum fliegt es/er?
§ Auftrieb
§ Bernoulli Effekt
§ Auftrieb
§ Bernoulli Effekt
§ Drehen der Flügel
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