Lassen Sie uns mit einer einfachen Demonstration beginnen. Lassen Sie einen kleinen Wasserstrahl aus einem Wasserhahn fließen und bewegen Sie eine Wasserglas horizontal an den Strahl heran, bis das Glas wie in Abbildung 9 den Wasserstrahl gerade berührt. Wie in der Abbildung erkennbar, schmiegt sich das Wasser teilweise um das Glas. Von Newtons erstem Gesetz wissen wir, dass für die Umlenkung des Wassers eine Kraft einwirken muss. Die Kraft wirkt in die Richtung der Umlenkung. Von Newtons drittem Gesetz wissen wir, dass eine gleich große entgegen gesetzte Kraft auf das Glas einwirken muss. Der Wasserstrahl übt eine Kraft auf das Glas aus, die versucht, das Glas in den Strahl hineinzuziehen, nicht wegzudrücken, wie man zunächst erwarten könnte.

Abbildung 9. Wasserumlenkung um ein Glas

Also warum folgt Wasser der Rundung eines Glases, oder Luft einer Flügelbiegung? Gehen wir zunächst vom Flug bei niedriger Geschwindigkeit aus. Im Langsamflug sind die Kräfte auf die Luft und die damit verbundenen Drücke so niedrig, dass die Luft nicht nur als eine Flüssigkeit, sondern als nicht komprimierbare Flüssigkeit angenommen wird. Das bedeutet, dass das Volumen einer Luftmasse konstant bleibt und dass Luftbewegungen sich nicht voneinander trennen, um Hohlräume (Lücken) zu bilden.

Ein zweiter Punkt für das Verständnis ist, dass Strömungen miteinander kommunizieren. Eine Strömung im kontinuierlichen Geradeausflug stellt sich wie der Weg eines Teilchens in der sich bewegenden Luft dar. Es ist der Weg, den ein kleines, leichtes Objekt im Luftstrom über dem Flügel nehmen würde. Die Kommunikation zwischen den Strömungen ist ein Ergebnis von Druck und Viskosität. Druck ist die Kraft pro Fläche, die die Luft auf die benachbarte Strömung ausübt. Viskosität in einem Gas oder einer Flüssigkeit entspricht der Reibung zwischen Festkörpern.

Stellen Sie sich zwei benachbarte Strömungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vor. Da diese Strömungen unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, versuchen die Kräfte zwischen ihnen die langsamere Strömung zu beschleunigen und die schnellere Strömung zu verlangsamen. Die Geschwindigkeit der Luft auf der Oberfläche des Flügels ist genau Null in Bezug auf die Oberfläche des Flügels. Das ist ein Ergebnis der Viskosität. Die Geschwindigkeit der Luft steigt mit der Entfernung vom Flügel wie in Abbildung 10 dargestellt. Nun stelle man sich die erste Strömung mit einer Geschwindigkeit von mehr als null vor, die gerade so die Oberfläche des Flügels streift. Wenn sie ursprünglich zunächst genau rückwärts gerichtet wäre und nicht in Richtung der Flügelbewegung, wäre eine gewisse Menge Luft mit Geschwindigkeit Null zwischen ihr und dem Flügel vorhanden. Kräfte würde diese Luft weg vom Flügel bewegen und ohne eine Ausgleichsströmung würde der Druck geringer. Diese Drucksenkung würde die Strömungseinheit umlenken, bis sie der Oberfläche des Flügels folgt.

Abbildung 10. Unterschiedliche Geschwindigkeit der Luft in Flügelnähe

Die nächste Strömung darüber würde ebenso umgelenkt werden, um der ersten auf die gleiche Art zu folgen, und so weiter. Die Geschwindigkeit der Strömungen erhöht sich mit der Entfernung vom Flügel über eine kurze Distanz. Dies trifft zu in einer Größenordnung von 15 cm an der Hinterkante des Flügels eines Airbus A380. Diese Region sich rasch ändernder Luftgeschwindigkeit ist die Grenzschicht. Wenn die Grenzschicht nicht turbulent ist, wird die Strömung laminar genannt.

Die Strömungen werden also umgelenkt durch eine Druckverringerung. Dies ist der Grund, warum die Luft von der Oberseite des Flügels umgelenkt wird und warum der Druck über dem Flügel niedriger ist. Diese Druckminderung nimmt ab mit dem Abstand über dem Flügel, aber sie ist die Basis des Auftriebs eines Flügels. Der verringerte Druck breitet sich aus mit Schallgeschwindigkeit, was eine sehr große Menge von Luft um den Flügel herum leitet.

Zwei Strömungen kommunizieren auf molekularer Ebene. Das ist ein Ergebnis von Druck und Viskosität der Luft. Ohne Viskosität gäbe es keine Kommunikation zwischen den Strömungen und keine Grenzschicht. Oft werden Berechnungen des Auftriebs mit dem Grenzwert von Null Viskosität durchgeführt. In diesen Fällen wird Viskosität implizit wieder eingeführt mit dem Kutta-Joukowski-Bedingung, die verlangt, dass sich die Luft wirbelfrei an der Hinterkante des Flügels löst. Die Berechnungen setzen außerdem voraus, dass die Luft der Oberfläche des Flügels folgt, was eine weitere Einführung der Auswirkungen der Viskosität darstellt. Ein Ergebnis der nahezu vollständigen Beseitigung der Viskosität bei den Berechnungen ist, dass keine Grenzschicht berücksichtigt wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Geschwindigkeit der gleichförmigen Strömung über der Oberfläche des Flügels höher ist als die Geschwindigkeit der frei stömenden Luft, das ist die Geschwindigkeit der ungestörten Luft in einigem Abstand vom Flügel. Diese Umlenkung der Luft bewirkt eine Druckverringerung über dem Flügel. Diese Verringerung des Drucks verursacht eine Beschleunigung der Luft. Es wird oft gelehrt, dass die Beschleunigung der Luft zu einer Druckverringerung führt. Tatsächlich ist es jedoch die Verringerung des Drucks, die die Luft in Übereinstimmung mit Newtons erstem Gesetz beschleunigt.

Werfen wir einen Blick auf die Luftumlenkung um den Flügel in Abbildung 11. Die Umlenkung der Luft erfordert eine Kraft. Wie durch die farbigen Pfeile angedeutet, wirkt die Richtung der Kraft auf die Luft senkrecht zur Umlenkung in der Luft. Die Größe der Kraft ist proportional zum Grad der Umlenkung. Je stärker die Luft umgelenkt wird umso größer ist die Kraft, die auf sie wirkt. Die auf den Flügel einwirkenden Kräfte, symbolisiert durch die schwarzen Pfeile in der Abbildung, haben die gleiche Größenordnung wie die Kräfte auf die Luft, nur in entgegen gesetzter Richtung. Diese Kräfte, die durch Druck wirken, stellen den Mechanismus dar, mit dem die Kraft auf den Flügel übertragen wird.

Abbildung 11. Kräfte auf die Luft und den Flügel

Schauen Sie noch einmal auf Abbildung 11, mit Augenmerk auf die schwarzen Pfeile, die die Kräfte auf den Flügel repräsentieren. Es gibt zwei Punkte zu bemerken. Der erste ist, dass der größte Anteil von Auftrieb am vorderen Teil des Flügels auftritt. In der Tat, die Hälfte des gesamten Auftriebs an einem Flügel bei Unterschall-Geschwindigkeiten wird typischerweise im ersten Viertel der Profillänge produziert. Das Profil ist der Abstand von der Vorder- bis zur Hinterkante des Flügels. Als zweites ist zu bemerken, dass die Pfeile auf dem vorderen Teil des Flügels nach vorn geneigt sind. Damit wird gezeigt, dass die Kraft des Auftriebs den Flügel sowohl voran zieht als auch hoch hebt. Das wäre schön, wenn es die ganze Geschichte wäre. Leider gleichen die horizontalen Kräfte an der Hinterkante des Flügels die horizontalen Kräfte an der Vorderkante des Flügels aus.

Wir besitzen jetzt die Werkzeuge, um zu verstehen, warum ein Flügel Auftrieb hat. Kurz gesagt, die umgelenkte Luft rund um den Flügel produziert Downwash. Newtons erstes Gesetz besagt, dass die Umlenkung der Luft eine Kraft auf die Luft erfordert, und Newtons drittes Gesetz besagt, dass eine gleich große, entgegen gesetzte Kraft auf den Flügel wirkt. Das ist eine Beschreibung des Auftriebs. Der Druckunterschied am Flügel ist der Mechanismus, mit dem Auftrieb auf den Flügel durch die Umlenkung der Luft übertragen wird.