Aerodynamik

Vögel fliegen – und das sogar richtig gut. Flugzeuge fliegen auch – fast immer richtig gut. Auch Hubschrauber fliegen – mittlerweile immer besser. Aber auch Scheunentore können fliegen – hat zumindest immer unser Aerodynamiklehrer behauptet – man muss sie nur ordentlich beschleunigen. Die Frage ist doch aber weniger wie etwas fliegt, sondern eher warum etwas fliegt?
Ja und da sind wir schon bei der Frage, die Generationen von Menschen bewegt hat, lange bevor sich der moderne Mensch in die Luft erhob. Und wie bei allen anderen Themen gab es auch hier schlaue Leute, die diese Frage für uns geklärt haben.
Ein wenige Gramm schwerer Sperling und ein hunderte Tonnen schwerer Airliner erheben sich in die Luft – alle nach den gleichen Gesetzmäßigkeiten der Aerodynamik. Das ist die Wissenschaft, die sich mit Körpern in bewegter Luft beschäftigt, egal ob der Körper von Luft umströmt wird, oder er sich aktiv in der Luft bewegt, d.h. angetrieben wird.
Jeder Körper der in Luft bewegt wird (auch in Wasser, aber das lassen wir hier mal weg), erzeugt Kräfte: Auftrieb und Widerstand. Ganz praktisch kann man das erleben, wenn man beim Autofahren die Hand aus dem Fenster hält. Was können wir dort bemerken.
1. Halte ich die Hand flach in den Fahrtwind ist der Widerstand gering (ich brauch wenig Kraft, um die Hand an der Stelle zu lassen)
2. Halte ich die Hand hochkant aus dem Fenster, ist der Widerstand groß (ich brauch viel Kraft, sonst reißt es mir den Arm nach hinten)
3. Stelle ich die Hand in einem bestimmten Winkel in den Fahrtwind, spüre ich eine Kraft, die meine Hand nach oben bewegen will – das ist der Auftrieb
Nun könnte ja ein Schlauberger auf die Idee kommen und sagen, warum hält der Pilot nicht einfach beide Hände aus dem Flieger raus, könnte er sich doch die Tragflächen sparen. Aber erstens hat er dann keine Hand zum Fliegen mehr frei und zweitens reicht dieser Auftrieb nicht aus. Auch die Hände aller rund 200 Passagiere eines Airbusses lassen ihn nicht fliegen.
Da der Mensch von Hause aus faul ist, ist er auf die Suche nach dem otimalen Auftriebskörper gegangen. Jenem Körper, der genug Auftrieb erzeugt, um das Fluggerät fliegen zu lassen, der aber gleichzeitig wenig Widerstand erzeugt, damit sich die Aufwendungen für den Antrieb in Grenzen halten. 
Um eine Schrankwand fliegen lassen zu können, brauchen wir Unmengen an Antriebsenergie. Sie produziert so viel Widerstand, dass sie als Auftriebskörper erst mal ausfällt.
Auch ein Brett wird nicht allzu toll fliegen. Der Widerstand hält sich zwar in Grenzen, aber es erzeugt auch relativ wenig Auftrieb.
So hat sich im Laufe der Menschheitsgechichte eine Form als optimal erwiesen. Von den Vögeln und deren Flügelform abgeschaut, baute sich das Menschlein ein Profil und siehe da, es verband die Vorteile einer guten Auftriebserzeugung mit dem des geringen Widerstandes. Mehrere Profile aneinandergereiht ergaben eine Fläche, die so gut trug, dass man sie Tragfläche nannte und die schraubte man an einen Rumpf und das Fluggerät war erfunden. ;-))
Wie entsteht nun aber die Kraft, die dieses Profil nach oben bewegt. Da sich unsere Vorfahren noch nicht in die Luft erheben konnten, mussten sie nach der Ursache erstmal auf dem Boden suchen. Und da kam ihnen entgegen, dass sich Körper in Flüssigkeiten ähnlich verhalten, wie in der Luft.
Dann lebte einst ein Mann namens Bernoulli (1700 – 1782) auf dieser Erde und der hat sich mit der Problematik auseinandergesetzt und was Interessantes herausgefunden:
Lässt man Wasser durch ein Rohr strömen, herrschen in dem Rohr eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit und ein bestimmter Druck. Verringert man nun den Querschnitt des Rohres, muss mehr Wasser zur gleichen Zeit durch den engeren Querschnitt. Die Folge ist eine höhere Strömungsgeschwindigkeit. Der Herr Bernoulli hat nun entdeckt, dass dabei gleichzeitig der Druck sinkt.
Wenn wir nun dieses Wissen auf unsere Luft und unser Profil anwenden, dann kommen wir zu folgendem Schluss:
Auf dem Bild unten sehen wir unser Profil. Die umströmte Luft wird durch Rauch sichtbar gemacht. Stellen wir uns vor, dass der Bildrand oben und unten unsere Rohrbegrenzung ist. Es kommt also an der Oberseite des Profils zu einer Querschnittsverringerung, an der Unterseite bleibt der Querschnitt gleich. Nach Bernuolli steigt die Geschwindigkeit der Luft an der Oberseite an, auch weil die Luftteilchen einen längeren Weg in der gleichen Zeit wie ihre Kumpane auf der Unterseite zurücklegen müssen. Man will sich ja mit seiner Verwandschaft von vor dem Profil wiedertreffen. So, und da eine Geschwindigkeitserhöhung verbunden ist mit einer Druckverminderung, entsteht auf der Oberseite ein Druckdefizit gegenüber der Unterseite – daraus resultiert eine Kraft nach oben – unser Auftrieb.