Wie Otto Lilienthal das Geheimnis des Vogelfluges lüftet

Einleitung 1 Luftdruck - 2 Brown - 3 Gasmodell - 4 Kontinuitätsgleichung - 5 Bernoulli - 6 Flügelprofil - 7 Asymmetrie - 8 Stromlinien - 9 Relativbewegung - 10 Modellvorstellungen

Was hält den Vogel in der Luft?

"Kreisende Storchenfamilie", Aquarellzeichnung von O.Lilienthal, Bucheinband

"Tausendfältig hat der Mensch versucht, es den Vögeln gleich zu thun. Flügel ohne Zahl sind von dem Menschengeschlechte gefertigt, geprobt und -- verworfen. Alles, alles vergeblich und ohne Nutzen für die Erreichung dieses heissersehnten Zieles."

Otto Lilienthal (1848 – 1896) veröffentlichte 1889 -  nach 23 Jahren andauernden Forschungsarbeiten - sein Buch „Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst“ als Beitrag zur Systematik der Flugtechnik. Es enthält in der Tat bahnbrechende Entdeckungen und Erfindungen, die der Entwicklung der Fliegerei die entscheidenden Voraussetzungen lieferte. Zu diesem Zweck beobachtete er sehr genau verschiedene Aspekte des Vogelfluges und hielt sich sogar eine eigene kleine Storchenzucht. Dies ermöglichte ihm wichtige Beobachtungen des Vogelflugs und wurde zur Grundlage seiner gezielten Experimente und Messversuche zum Auftrieb.
Lilienthal gilt als der erste Mensch, dem mit seinen selbstkonstruierten Flugapparaten wiederholbare Gleitflüge bis 250 m Länge gelangen. Aus vielen Fotos seiner Flugversuche ist ein kurzer Film erstellt worden, der einen spannenden Eindruck von den gewagten Flugmanövern Lilienthals vermittelt. Auch auf der anderen Seite des Atlantiks benutzten z.B. die Gebrüder Wright (1867-1948) die Erkenntnisse Lilienthals, mit denen 1903 ihr Erfolg des ersten motorgetriebenen Fluges gelang .

Drei grundlegende Beobachtungen von Otto Lilienthal

Die Bedeutung des Flügelschlags

Skizzen von Lilienthal zur Flügelform von Störchen

Zur Zeit Lilienthals galt vielen der auffällige Flügelschlag als wichtige Voraussetzung für den Flug der Vögel. Auch Lilienthal unternimmt vielfältige Messungen und Berechnungen zum Flügelschlag und kommt zu dem Ergebnis, dass die durch einfachen Flügelschlag nach unten bewegte Luft nicht ausreicht, das Gewicht eines Vogels auszugleichen. Der Flügelschlag dient viel mehr dem Vortrieb als dem Aufrieb. Lilienthal gelang es, sich von den hervorstechenden Eigenschaften des Vogelflügels, dem Flügelschlag und dem Federkleid zu lösen und im Laborversuch die verborgenen, aber für den Auftrieb entscheidenden Eigenschaften des Flügels zu ermitteln. .

"Wie aber fliegt die Möwe? Gewöhnlich ist die Luft an der See bewegt, und meistens hat daher die Möwe Gelegenheit, sich segelnd in der Luft fortzubewegen, nur dann und wann mit einigen Flügelschlägen nachhelfend, selten kreisend, bald rechts oder links umbiegend, bald steigend, bald sinkend, den Kopf geneigt und immer mit den Augen die futterspendende Wasserfläche durchsuchend." (S.137)

Die Flügelwölbung

Als entscheidende Leistung Lilienthals zur Erklärung des Auftriebs gilt seine Erkenntnis der Bedeutung der Flügelwölbung. Eine gewölbte Fläche erzeugt bereits Auftrieb, die eine ebene Fläche erst durch eine schräge Anströmung erreicht. Zu diesem Zweck sammelt und vermisst Lilienthal die Flügel und einzelne Flügelfedern verschiedener Vögel.

Profil eines Vogelflügels

"Bei gut fliegenden Vögeln findet man nur eine schwache Wölbung des Flügelquerschnittes, deren Pfeilhöhe h in Fig. 37 1/12—1/15 der Flügelbreite A B ausmacht. Schlechtfliegende Vögel, wie alle Laufvögel, haben sehr stark gewölbte, die gut und schnell fliegenden Seevögel dagegen sehr schwach gewölbte Flügel"(S.92).

Das Prinzip der Wölbung von Vogelflügeln kann man bei genauem Hinsehen in jeder einzelnen Feder entdecken. So kann man z.B. bei einer gefunden Vogelfeder einschätzen, ob diese eher aus dem Federkleid des Körpers oder dem linken oder rechten Flügel stammt. Mit dieser Erkenntnis konstruierte Lilienthal Gleiter, mit denen wiederholbare, erfolgreiche Gleitflüge bis zu 250 m durchgeführt werden konnten. Er gilt daher gemeinhin als erster erfolgreicher Flieger der Zeitgeschichte. Auch die Gebrüder Wright benutzten Lilienthals Erkenntnis u.a. zur Optimierung der Propeller für ihren ersten Motorflug über 37 m.

Am Beginn der kontrollierten Fliegerei zu Beginn des 19. Jhd. wurden wegen ihres geringen Gewichts stoffbespannte gewölbte Flächen als Flügel verwendet. Heute haben die Flügelprofile immer noch die typische asymmetrische Wölbung, aber eine ausgedehntere Form.

Stromlinienform

Beispiel eines modernen Flügelprofils

Auf der Suche nach den Voraussetzungen für einen erfolgreichen Segelflug erkennt Lilienthal auch die Bedeutung der Stromlinienform zur Verringerung des Widerstandes den ein bewegter Körper durch die Luft erfährt.
Die Stromlinienform ist typischerweise vorne rund und dick und hinten schmal und spitz. Diese Form hat einen fast 10-fach geringeren Luftwiderstand als ein Ball gleicher Querschnittsfläche und ist daher eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass Vögel mit Hilfe ihrer Muskelkraft fliegen können.

Mehr als 30 Jahre später wird im Rahmen des Zeppelinbaus die Stromlinienform im Windkanal optimiert und die Erkenntnisse daraus auch auf den Auto- und Lokomotivbau übertragen. Zur Erreichung von immer höheren Geschwindigkeiten bekommt der Reduzierung des Luftwiderstandes durch eine optimale Formgebung größte Bedeutung zu .

Weiterführende Gedanken

Die Asymmetrie beim Flugzeugflügel

In Anlehnung an Otto Lilienthal kann man sagen, dass die Auftriebswirkung eines gewölbten Flügels durch die asymmetrische Umströmung des Profils verursacht wird. In gewissen Grenzen gilt dabei:

Je ausgeprägter die Asymmetrie des Flügelprofils (Wölbung), desto größer die Auftriebskraft.

Der Nachteil einer ausgeprägte Wölbung ist jedoch der höhere Luftwiderstand einer solchen Form. Deswegen kann man diesen Parameter nicht beliebig einsetzen. Daneben gibt es vor allem 2 weitere Einflussfaktoren für den Auftrieb. Zum einen ist da die Strömungsgeschwindigkeit, zum anderen der Anstellwinkel.

Je höher die Umströmungsgeschwindigkeit eines asymmetrisch gewölbten Flügelprofils, desto größer die Auftriebskraft.

Allerdings bedeutet eine höhere Geschwindigkeit auch einen höheren Luftwiderstand des Flugzeugs, was eine entsprechende Triebwerksleistung erfordert. Dabei steigt der Luftwiderstand sogar mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.
Der andere wichtige Einflussfaktor ist der sogenannte Anstellwinkel. In gewissen Grenzen gilt:

Je größer der Anstellwinkel, desto größer die Auftriebskraft.

Ein schräg angeströmtes Profil verstärkt eine asymmetrische Umströmung und entspricht so auch einer Form der Asymmetrie. Aber auch hier ist es so, dass sich mit größerem Anstellwinkel der Luftwiderstand vergrößert, so dass man diesen Parameter im Reiseflug klein halten will.
D.h. ein gutes Flügelprofil zeigt eine asymmetrische Wölbung, möglichst nah an der Stromlinienform, die bei minimalen Anstellwinkel oder bei einem Anstellwinkel von 0° ausreichend Auftrieb erzeugt.

Segelflug

Schema der Kräfteverteilung beim "besten Gleiten"

Will man ein asymmetrisches Profil optimal nutzen, wählt man eine Geschwindigkeit, bei der die erzeugte Auftriebskraft ausreicht, ohne dass zusätzlich eine schräge Anströmung benötigt wird, der Luftwiderstand also möglichst gering ist. Für alle Flugzeuge wird praktischerweise eine solche "Geschwindigkeit des besten Gleitens" definiert. Das gilt nicht nur für Segelflugzeuge sondern auch für motorgetriebene Flugzeuge im Fall eines Motorschadens. Bei dieser Geschwindigkeit segelt ein Flugzeug - leicht abwärts geneigt - am weitesten. Ein modernes Verkehrsflugzeug in Reiseflughöhe (ca. 11 km) kann ohne jegliche Triebwerkunterstützung noch ca. 200 km im Segelflug zurücklegen und z.B. in Deutschland fast alle großen Verkehsflughäfen erreichen. Dies demonstriert eindrücklich der spektakuläre Flug von Flugkapitän C.B. Sullenberger 2009. Durch Vogelschlag fielen in nur 1 km Flughöhe beide Triebwerke aus, das Flugzeug legte im Segelflug noch ca. 14 km zurück, ehe es im Hudson River notlandete.

Motorflug

Beim Motorflug wird die Sache etwas komplizierter weil ein Motorflugzeug, im Gegensatz zu einem Segelflugzeug, ständig sein Gewicht verändert. Ein Motorflugzeug ist beim Start immer schwerer als bei der Landung, weil es zwischendurch Sprit verbraucht. Der Gewichtsunterschied ist mitunter erheblich. Ein A380 hat beim Start eine Masse von ca. 560.000 kg, davon sind ca, 45% Kraftstoff (ca. 250.000 kg oder 310.000 l Kerosin), die bei der Landung größtenteils verbraucht ist. Während des Fluges nimmt also die Gewichtskraft stetig ab und damit auch der notwendige Auftrieb. Wie aber passt man den Auftrieb eines Flugzeugflügels an die sich verändernden Gegebenheiten an? Eine Möglichkeit wäre, mit dem immer leichter werdenden Flugzeug auch immer langsamer zu fliegen weil man ja nicht mehr soviel Auftrieb benötigt. Es ist leicht einzusehen, dass dies im Sinne der Transportfunktion unerwünscht ist. Man benutzt stattdessen 2 andere Methoden, um den Auftrieb durch die asymmetrische Umströmung anzupassen.

Anstellwinkel

Concorde mit hohem Anstellwinkel bei der Landung

Die einfachste Methode zur Anpassung des Auftriebs bei einem Flügels ist der Anstellwinkel. In einem weiten Bereich kann damit die Asymmetrie der Umströmung und die damit erzeugte Auftriebskraft bei einem konstanten Flügelprofil der Geschwindigkeit angepasst werden.

Alle Motorflugzeuge benutzten diese Methode. Besonders auffällig ist das bei der Landung zu sehen, wo man die geringste der möglichen Fluggeschwindigkeiten anstrebt. Bei der hier abgebildeten Concorde war für die Landung ein so extremer Anstellwinkel notwendig, so dass die Flugzeugkonstrukteure eine für die Landung absenkbare Flugzeugnase konstruiert hatten, um den Piloten ausreichend Bodensicht zu ermöglichen. Im Unterschied zu teilweise hohen Anstellwinkeln bei der Landung betragen typische Anstellwinkel im Reiseflug nur wenige Grad.

Vorflügel und Landeklappen

Ausgefahrene Vorflügel und Landeklappen eines modernen Verkehrsflugzeuges

Wer in einem Verkehrsflugzeug auf einem Fensterplatz nahe dem Flügel sitzt, kann bei Start und Landung eine weitere Methode beobachten, mit der Piloten den Auftrieb der gegebenen Geschwindigkeit anpassen. Sie verändern die asymmetrische Form des Flügelprofils, indem Vorflügel und Landeklappen ausgefahren werden. Durch die erhöhte Asymmetrie wird schon bei geringer Geschwindigkeit der Auftrieb erzeugt, der die Gewichtskraft des Flugzeugs ausgleicht.

Dadurch erhöht sich natürlich auch der Luftwiderstand, was bei der Landung aber unbedeutend ist. Im lang andauernden Reiseflug möchte man natürlich den Luftwiderstand so gering wie möglich halten. Deswegen sind die Flügelprofile so konstruiert, dass sie im Reiseflug - mit eingefahrenen Klappensystemen - bei geringem Luftwiderstand ausreichend Auftrieb produzieren. Bei geringen Geschwindigkeiten während des Landeanflugs - und im geringen Maße auch beim Start - wird der notwendige Auftrieb u.a. durch die Klappenstruktur hergestellt, die die Asymmetrie des Flügelprofils erhöht, oft kombiniert mit einem erhöhten Anstellwinkel.

Anstellwinkel ist hilfreich aber nicht notwendig

Ein manchmal anzutreffendes Misskonzept für die Erklärung des Auftriebs eines Flugzeugflügels ist, dass ein positiver Anstellwinkel notwendig für die Erzeugung von Auftrieb ist. Manchmal wird dieses Konzept mit der Vorstellung verbunden, der Luftstrom werden durch die „Reflexion“ an der Flügelunterseite umgelenkt und damit erklärt sich die Auftriebskraft auf der Grndlage des 3. Newtonschen Axioms von Actio und Reactio. Dieses Konzept ist zwar sehr anschaulich und man fühlt es scheinbar bei jedem Kinderdrachen. Aber es übersieht 2 wichtige Aspekte

• ein asymmetrisches Flügelprofil erzeugt auch ohne Anstellwinkel Auftrieb (vgl. Segelflug)
• die Oberseite eines Flügels trägt ebenso – ja sogar überwiegend - zum Auftrieb bei wie die Unterseite.

Richtig ist, dass man einen Anstellwinkel braucht, wenn es sich um ein symmetrisches Flügelprofil handelt, oder z.B. um eine ebene Platte wie beim Kinderdrachen.
Weiterhin richtig ist, dass in der praktischen Flugdurchführung mit Motorflugzeugen stets ein angepasster positiver Anstellwinkel benutzt wird, um den Auftrieb bei veränderten Flugparametern (z.B. Gewicht, Geschwindigkeit) im notwendigen Maß aufrechtzuerhalten.
Aber auch eine auf dem Boden liegende Halbkugel erfährt durch eine zum Boden parallel verlaufenden Strömung einen Auftrieb. Im folgenden Kapitel werden alltägliche und technische Beispiele vorgestellt, bei denen Auftrieb entsteht. Sie alle eint die phänomenologische Erklärung, dass die Asymmetrie bei einer Umströmung mit einer resultierenden Kraft senkrecht zur Strömung (=Auftrieb) einhergeht.