Für einen siebenundzwanzigstündigen Flug, so lange habe ich ungefähr gebraucht, um von Neuseeland zurück zu kommen. Dort oben, in den bequemen Sitzen von Qatar Airways, fragte ich mich, wie wir es geschafft haben, so gut zu fliegen, ohne zu stürzen, wie Herr Rajoy sagen würde: „Das ist gesunder Menschenverstand“. Das sind die Antworten.
Flugzeuge fliegen, weil es keine resultierende Kraft gibt. Und wenn ein Körper keiner Kraft unterworfen ist, wird er weiterhin stillstehen oder eine konstante Geschwindigkeit haben. Dies wurde bereits von Isaac Newton in seinem ersten Gesetz festgestellt. Das bedeutet jedoch nicht, dass keine Kraft auf das Flugzeug einwirkt. Das Flugzeug hat ein Gewicht, die Passagiere und ihr Gepäck haben ein Gewicht, und jedes Molekül in der Luft, das von den Triebwerken gedrückt wird oder auf den Rumpf trifft, erzeugt eine Kraft. Den Ingenieuren ist es gelungen, einen Teil dieser Stöße zu nutzen, um das Gewicht und den Luftwiderstand auszugleichen.
Zusammenfassend kann man sagen, dass Flugzeuge hauptsächlich auf zwei Theorien basieren, die wir in der Schule gelernt haben, auch wenn wir nicht wirklich wussten, wofür sie gut sind: erstens der Venturi-Effekt und zweitens, was noch wichtiger ist, Newtons drittes Gesetz, auch bekannt als das „Gesetz von Aktion und Reaktion“.
Beginnen wir mit den Kräften in vertikaler Richtung. Diejenige, die nach unten zieht, ist die Schwerkraft, und diejenige, die nach oben zeigt, ist die Schubkraft. Aber woher kommt letzteres? Obwohl er vom gesamten Rumpf, d.h. dem gesamten Körper des Flugzeugs kommt (Abbildung 1), kommt der größte Teil von den Flügeln, und in beiden Fällen geschieht dies dank des Venturi-Effekts (Abbildung 2).
Der Venturi-Effekt besagt, dass der Druck einer Flüssigkeit abnimmt, wenn sie ihre Geschwindigkeit erhöht. Um dies auszunutzen, sind die Tragflächen von Flugzeugen so konstruiert, dass ihr oberer Teil stärker gekrümmt ist als der untere, was bedeutet, dass die von der Luft zurückzulegende Strecke im oberen Bereich größer ist und sie daher gezwungen ist, ihre Geschwindigkeit zu erhöhen. Aufgrund des Venturi-Effekts nimmt der Druck über dem Flügel ab (je höher die Geschwindigkeit, desto geringer der Druck). Kurz gesagt, der untere Teil des Flügels hat einen höheren Druck als der obere Teil, was einen Aufwärtsschub bewirkt, der das Flugzeug in der Luft hält.
Die durch den Venturi-Effekt ausgeübte Kraft reicht jedoch nicht aus, um das Flugzeug in der Luft zu halten, und hier kommt Newtons drittes Gesetz ins Spiel, das besagt, dass eine auf ein Objekt ausgeübte Kraft oder Aktion eine gleich starke Reaktion hervorruft, die jedoch in die entgegengesetzte Richtung geht (versuchen Sie einmal, mit dem Kopf gegen eine Wand zu stoßen, und Sie werden wissen, wovon wir sprechen).
Und wie wird diese Theorie in Flugzeugen angewendet? Das liegt an der Form und der Position der Flügel, die so konstruiert sind, dass die Luft, die durch sie hindurchströmt, nach unten gedrückt wird und so eine nach unten gerichtete Kraft auf die Luft ausübt, die aufgrund des oben erwähnten Newtonschen Gesetzes zu einer nach oben gerichteten Reaktionskraft auf den Flügel führt. Je schneller man fliegt, desto größer ist natürlich die Kraft, die auf einen einwirkt. Deshalb müssen Flugzeuge zuerst eine sehr hohe Geschwindigkeit erreichen, um zu starten und dann in der Luft zu bleiben.
Eine einfache Methode, um zu überprüfen, was ich sage, ist, die Hand aus dem Autofenster zu halten. Wenn Sie Ihre Hand nicht im Profil halten, sondern leicht neigen, um sie in den Wind zu halten, verdrängen Sie die Luft nach unten und spüren eine aufwärts gerichtete Kraft, die nicht nur Ihre Hand, sondern Ihren ganzen Arm anhebt.
Newtons drittes Gesetz wird auch durch den so genannten Coanda-Effekt unterstützt, ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Flüssigkeit dazu neigt, an einem Objekt, mit dem sie in Kontakt ist, zu haften und dessen Flugbahn zu folgen. Bei Flugzeugen neigt die Luft (Flüssigkeit) dazu, an der Tragfläche des Flugzeugs (dem Objekt, auf das sie auftrifft) zu haften und seiner Flugbahn zu folgen (d. h. nach unten zu fliegen). Ein praktisches Beispiel sehen Sie in dem Löffel auf dem Foto oder, noch besser, in diesem Video.
Und wie wird sie durch den Körper des Flugzeugs erzeugt? Dies wird dadurch erreicht, dass die Luftmoleküle sie nach oben drücken. Dank seiner Form stoßen bei der Bewegung unten mehr Moleküle zusammen als oben (so wie beim Laufen im Regen weniger Tropfen auf den Rücken treffen), und die oben zusammenstoßenden Moleküle stoßen mit viel geringerer Geschwindigkeit zusammen als die unten zusammenstoßenden, was einen Druckunterschied erzeugt, der das Flugzeug anhebt (Abbildung 1).
Auf der horizontalen Achse haben wir nun eine Kraft, die das Flugzeug nach hinten drückt. Diese Kraft besteht aus den Luftmolekülen, die mit dem Flugzeug zusammenstoßen. Um dieser Kraft entgegenzuwirken, treiben die Triebwerke die Luftmoleküle nach hinten, indem sie sich mit ihren Schaufeln schnell drehen. Groß und wenige bei Propellerflugzeugen und viele und kleine bei Turbinenflugzeugen.
Nun, wir wissen mehr oder weniger, warum ein Flugzeug fliegt, aber warum fliegt es so hoch? Die meisten Verkehrsflugzeuge fliegen in einer Höhe von fast 35.000 Fuß, etwa 10,6 Kilometer. Warum fliegen Sie nicht einfach ein paar Kilometer über dem Boden, was mehr als genug Höhe ist, damit das Flugzeug keine Probleme mit Strukturen wie Türmen oder Wolkenkratzern hat? Wenn man versucht, Berge zu vermeiden, selbst wenn alle Berge der Welt so hoch wären wie der Everest (8,8 Kilometer), warum sollte man dann fast 2.000 Meter mehr Sicherheitsspielraum in Kauf nehmen?
Nun, zunächst einmal ist die Höhe, in der die meisten Flugzeuge fliegen, nicht willkürlich gewählt. Dafür gibt es sehr gute Gründe. Nachfolgend die wichtigsten.
Einer der Hauptgründe, warum Verkehrsflugzeuge so hoch fliegen, ist der Luftwiderstand. Je höher man sich über dem Boden befindet, desto dünner wird die Atmosphäre und desto geringer ist der Widerstand, den das Flugzeug dem Flug entgegensetzt. Seit der Erfindung der Düsentriebwerke fliegen die Flugzeuge in dieser Höhe (die ursprünglichen Düsentriebwerke werden heute nicht mehr verwendet, sondern Turbofans). Diese Triebwerke, die eher Raketenstrahlsystemen ähneln, haben einen höheren spezifischen Impuls, da weniger Luft vorhanden ist. Dennoch brauchen sie Luftsauerstoff, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten.
Je mehr Luftmoleküle das Flugzeug auf seinem Weg beseitigen muss, desto mehr Energie benötigt es, desto mehr Treibstoff verbraucht es, und desto höher sind die Betriebskosten. Aufgrund des geringeren Luftwiderstands in größeren Höhen fliegen Verkehrsflugzeuge mit minimalem Treibstoffverbrauch. Aus diesem Grund wird 35.000 Fuß als „Reiseflughöhe“ bezeichnet, in der ein Gleichgewicht zwischen Betriebskosten und Treibstoffeffizienz erreicht wird.
Ein weiterer wichtiger Grund ist, dass die Atmosphäre in Reiseflughöhe stabiler ist und man sich in der Regel nicht um Wolken und andere Wetterphänomene wie Gewitter kümmern muss. Flugzeuge können ohne größere Probleme durch Wolken und Gewitter navigieren, aber wenn sie dies tun, sind Turbulenzen unvermeidlich, die nicht nur unangenehm für die Passagiere sind, sondern auch zu Panik im Cockpit führen können.
Ein dritter und offensichtlicher Grund ist das Ausräumen von Hindernissen. Wenn Sie auf der Konsole oder dem Computer ein Flugzeug fliegen, können Sie tief fliegen, Purzelbäume schlagen, zwischen Gebäuden hindurchfliegen, durch Schluchten hindurchgehen und so weiter. Aber das ist nicht die Realität. Wenn dies schon für ein kleines Jagd- oder Ausstellungsflugzeug zu gefährlich ist, so ist es für ein großes Verkehrsflugzeug praktisch unmöglich. Mit einem kleinen Fahrzeug könnte sogar ich Manöver durchführen, die für einen Stadtbus unmöglich sind.
Zudem ist das Gelände bekanntlich nicht handtellergroß, sondern über dem Meeresspiegel gibt es eine Vielzahl von Landformen, so dass das Flugzeug auf eine Höhe steigt, die hoch genug ist, um allen Arten von Landformen auszuweichen. Und wenn es darum geht, Landformen zu vermeiden, sorgt die Flughöhe von 35.000 Fuß auch dafür, dass sich das Flugzeug weit über dem Flugbereich der meisten Vögel befindet. Das ist von entscheidender Bedeutung, denn Vogelschlag kann viel mehr sein als ein bloßes Missgeschick oder Ärgernis.
Es hat viele Fälle von Vogelschlag gegeben, aber derjenige, der die meiste Aufmerksamkeit erregte, war der Fall des US Airways Fluges 1549. Am 15. Januar 2009 landete ein Flugzeug (Airbus 320) wie durch ein Wunder ohne Triebwerk im Hudson River, nachdem es kurz nach dem Start vom Flughafen LaGuardia in New York City von einem Vogelschwarm getroffen worden war. Unglaublicherweise gab es kein einziges Todesopfer. Deshalb ist die holprige, glückliche Landung – die in dem Film Sully von Clint Eastwood mit Tom Hanks in der Hauptrolle verfilmt wurde – als das „Wunder auf dem Hudson“ bekannt.
Angenommen, Sie fliegen ein Verkehrsflugzeug nur einen Kilometer über dem Boden und etwas geht schief. Das Flugzeug beginnt zu stürzen. Sie wissen, dass Sie das Problem beheben können, das den schnellen Sinkflug des Flugzeugs verursacht, aber es fällt zu schnell und Sie haben einfach nicht genug Zeit, um das Problem zu beheben. An diesem Punkt würden Sie denken: „Wenn ich nur mehr Zeit hätte…“. Das ist ein weiterer Grund, warum Verkehrsflugzeuge in einer Höhe von etwa 11 km fliegen, einer Höhe, die als „Sicherheitspolster“ dient und den Piloten Zeit gibt, etwas zu reparieren, wenn etwas schief geht.