Kapitel 2
Zu Land, zu Wasser und in der Luft: Weitere Fortbewegungsmittel
In diesem Kapitel
In diesem Kapitel geht es um Verkehrsmittel jenseits des Autos. Wir beginnen mit der Luftfahrt und der grundsätzlichen Frage, warum Flugzeuge überhaupt fliegen können. Mit dem Überschallflugzeug und dem Hubschrauber lernen Sie zwei besonders dynamische Luftfahrzeuge kennen. Als Gegenpol erfahren Sie danach, wie die eher beschaulichen Freiluftballons und Zeppeline funktionieren. Anschließend wird es wieder spektakulär: Mit dem Transrapid, dem ICE sowie Tragflügel‐ und Luftkissenbooten stelle ich Ihnen rasante Vertreter des heutigen Schienenverkehrs beziehungsweise der modernen Schifffahrt vor. Den Abschluss dieses Kapitels widme ich dem Radfahren. Sie werden überrascht sein, welche Rolle die Physik auch bei dieser einfachen Bewegungsart spielt!
Über den Wolken: Das Flugzeug
Die griechische Sage von Dädalus und Ikarus legt ein Zeugnis davon ab, wie stark der Mensch schon seit der Antike von der Idee des Fliegens beseelt ist. Es dauerte jedoch bis zum Ende des 18. Jahrhunderts, bevor die Menschen erste ernst zu nehmende Flugversuche unternahmen. An dieser Stelle seien nur die Brüder Montgolfier, der Schneider von Ulm und Otto Lilienthal genannt. Die beiden Letztgenannten versuchten wie auch schon Dädalus und Ikarus, das Flugverhalten von Vögeln und deren Flügelform zu imitieren. Die ersten wirklich erfolgreichen Flüge unternahmen dann zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Brüder Orville und Wilbur Wright. Ihre Flugzeuge hatten Flügel, deren Form zwar an die Flügel von Vögeln erinnerte. Allerdings waren die Flügel starr und bewegten sich im Unterschied zu Vogelflügeln nicht.
Bis heute gibt es unter Physikern heftige Diskussionen, warum genau diese und all die anderen später entwickelten Flugzeuge überhaupt fliegen können. Dabei sind sich jedoch alle Forscher einig, dass Flugzeuge fliegen können und dass die von Zeit zu Zeit leider auftretenden Abstürze nicht bedeuten, dass Fliegen grundsätzlich unmöglich ist! In diesem Artikel kann ich Ihnen keine endgültige Antwort liefern, möchte Sie aber mit den unumstrittenen Tatsachen und einigen Erklärungsversuchen vertraut machen.
Alle Physiker sind sich einig, dass unterhalb eines Flugzeugflügels der Druck größer ist als oberhalb. Dadurch erfährt der Flügel einen Auftrieb (siehe Abbildung 2.1 a).
Abbildung 2.1: Effekte an der Tragfläche eines Flugzeugs
In vielen populärwissenschaftlichen Darstellungen wird der Druckunterschied damit begründet, dass sich die Luftteilchen aufgrund der Flügelform entlang der Oberfläche schneller bewegen müssen als auf der Unterseite, um gleichzeitig am Ende des Profils anzukommen. Windkanalversuche zeigen jedoch eindeutig, dass diese Erklärung falsch ist. Die Teilchen bewegen sich entlang der Oberseite zwar in der Tat schneller. Sie bewegen sich aber so viel schneller, dass sie sogar vor den Teilchen, die sich entlang der Unterseite bewegen, ankommen. In den Versuchen wird auch deutlich, dass sich am Ende des Profils ein Wirbel ausbildet (siehe Abbildung 2.1 b). Er entsteht bereits, wenn das Flugzeug auf der Startbahn losdonnert. Aufgrund des Drehimpulserhaltungssatzes (siehe den Artikel über Eislaufen in Kapitel 7) muss es zu diesem Wirbel ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Gegenstück geben. Dieser Gegenwirbel bildet sich um den Flügel herum aus, wie Sie in Abbildung 2.1 c sehen können. Er sorgt dafür, dass sich die Luftteilchen auf der Oberseite schneller bewegen als auf der Unterseite.
Dem Schweizer Physiker Daniel Bernoulli verdanken wir die bahnbrechende Erkenntnis, dass der Druck eines strömenden Fluids (Gas oder Flüssigkeit) umso geringer ist, je größer seine Geschwindigkeit ist. Dieser im 18. Jahrhundert entdeckte Effekt wird nach seinem Erfinder als Bernoulli‐Effekt bezeichnet. Unabhängig von der Frage, wodurch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Luftteilchen an der Ober‐ und Unterseite letztlich ausgelöst werden, folgt aus dem Bernoulli‐Effekt, dass der Druck an der Unterseite der Tragfläche größer sein muss. Dies bewirkt den dynamischen Auftrieb!
Alle beschriebenen Effekte können nur auftreten, wenn das Flugzeug eine gewisse Mindestgeschwindigkeit erreicht. Ist das Flugzeug langsamer, werden seine Flügel nicht mehr glatt von der Luft umströmt und die Strömung reißt ab. In der Folge würde das Flugzeug abstürzen! Darum werden beim Landen eines Flugzeugs Landeklappen am Flügel ausgefahren. Diese sollen nicht nur den Luftwiderstand erhöhen, sondern sie regulieren auch den Strömungsfluss um die Flügel herum.
Aus physikalischer Sicht können Flugzeuge also fliegen. Aber Sie wissen natürlich, dass in jedem Jahr einige wenige Flugzeuge abstürzen. Jedes dieser Unglücke kann physikalisch erklärt werden; ganz allgemein gibt es zwei Hauptursachen:
Aber unabhängig davon können Sie jederzeit ein Flugzeug betreten, ohne Angst haben zu müssen. Allein im Passagierbereich fliegen weltweit in jedem Jahr mehr als zwei Milliarden Menschen, die Zahl der Todesfälle liegt (über die letzten Jahre gemittelt) bei etwas mehr als 500. Eigentlich sollte Ihre Angst größer sein, wenn Sie in ein Auto steigen.
Schneller, als die Polizei erlaubt: Überschallflugzeuge
Stellen Sie sich vor, wie Sie irgendwo in der Natur auf einer Decke liegen, einen warmen Tag genießen und vor sich hin dösen. Bis auf das Zwitschern der Vögel ist es still. Plötzlich gibt es einen gewaltigen Knall! Sie schrecken auf und hören über sich das Geräusch eines Flugzeugs. Wahrscheinlich fluchen Sie vor sich hin: »Das Flugzeug hat gerade die Schallmauer durchbrochen.« Damit sind wir beim Thema dieses Artikels: Überschallflugzeuge und der dabei entstehende Überschallknall.
Der Schall ist eine Welle, die sich mit der Schallgeschwindigkeit c ausbreitet. Bei normaler Temperatur beträgt c etwa 340 m/s. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Schallgeschwindigkeit zu. Auf einer normalen Flughöhe von 11 km ist es wesentlich kälter als hier unten auf der Erde. Daher beträgt die Schallgeschwindigkeit dort lediglich 295 m/h.
Physiker drücken die Geschwindigkeit v eines Flugzeugs gerne mithilfe der Machzahl aus: Ma = v/c. Wenn v > c (also Ma > 1) ist, spricht man von Überschallgeschwindigkeit.
Abbildung 2.2: Zur Entstehung des Überschallknalls
In Abbildung 2.2 a sehen Sie eine ruhende Schallquelle. Die Schallwellen breiten sich kugelförmig aus. In Abbildung 2.2 b bewegt sich die Quelle mit einer Geschwindigkeit v < c nach rechts. Sie können leicht erkennen, dass die Wellenberge rechts der Quelle sehr viel dichter aufeinanderfolgen als links. Die Frequenz der Welle ändert sich also, wenn sich die Schallquelle an einem Beobachter vorbeibewegt. Dieses Phänomen wird als Dopplereffekt bezeichnet. Bei v = c treffen alle von der Quelle gesendeten Schallwellen gleichzeitig in dem Punkt ein, an dem sich die Quelle gerade befindet (siehe Abbildung 2.2 c).
Wenn die Geschwindigkeit der Quelle schließlich größer als die Schallgeschwindigkeit wird, können Sie die Quelle außerhalb eines Kegels nicht hören. Dieser Kegel wird Machkegel genannt und wird vom Flugzeug wie eine Schleppe hinter sich hergezogen. Der Öffnungswinkel des Kegels ist umso enger, je schneller das Flugzeug ist. In diesem Kegel ist die Luft stark verdichtet. Aus den zahllosen Einzelschwingungen bildet sich am Rand des Kegels eine sogenannte Stoßfront aus. Wenn diese Front auf Ihr Trommelfell trifft, nehmen Sie das als Überschallknall wahr.
Am 14. Oktober 1947 wurde die Schallmauer zum ersten Mal nachweislich von einem amerikanischen Testpiloten in einer Bell X‐1 in 15 km Höhe durchbrochen. Heutzutage gibt es zahlreiche Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen können. Sie fliegen meist mit Geschwindigkeiten zwischen Mach 2 und Mach 3. Es wurden aber auch schon Flugzeuge gebaut, die Machzahlen bis knapp 10 erreichen konnten!
Abbildung 2.3: Eine Concorde
Überschallflugzeuge werden ausnahmslos vom Militär eingesetzt. Abgesehen von einem erfolglosen sowjetischen Projekt war die britisch‐französische Concorde (siehe Abbildung 2.3) das einzige Passagier‐Ultraschallflugzeug. Sie wurde zwischen 1976 und 2003 für Linienflüge eingesetzt. Charakteristisch für die Concorde waren
Die Reisegeschwindigkeit der Concorde betrug etwa Ma 2, die Höchstgeschwindigkeit war Ma 2,23 (in 18 km Höhe). Nachdem es schon länger Diskussionen über die mangelnde Wirtschaftlichkeit und Umweltaspekte gegeben hatte, wurden nach dem Absturz einer Concorde auf dem Pariser Flughaften Charles de Gaulle am 16. August 2000 alle Linienflüge eingestellt, auch wenn der Absturz selbst nichts mit dem Überschallcharakter des Flugzeugs zu tun hatte …
Senkrecht in die Luft: Hubschrauber
Sie haben eben gelernt, dass sich der Flügel eines Flugzeugs relativ zur Luft bewegen muss,...
