Fliegen (Fortbewegung)

Fliegende Japanmöwe, Beispiel für aerodynamisches Fliegen

Fliegender Heißluftballon, Beispiel für aerostatisches Fliegen

Fliegende Antares Rakete, Beispiel für Flug mit Rückstoßantrieb

Die ISS auf ihrer Umlaufbahn, Beispiel für passiven Flug

Das Fliegen oder der Flug bedeutet die Bewegung eines Körpers durch die Luft, durch anderes Gas, oder durch luftleeren Raum.

Verschiedene Flugarten

Entsprechend der verschiedenen Bewegungsformen und zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien wird in verschiedene Flugarten unterschieden.

Aktiver Flug in umgebender Luft

Aerodynamisches Fliegen

Die Fortbewegung eines Körpers schwerer als Luft mit dynamischem Auftrieb, der an umströmten Körpern entsteht, wird aerodynamisches Fliegen genannt. Aerodynamisches Fliegen wird in der Physik mit den Gesetzen der Aerodynamik beschrieben; z. B. Fliegen mit Flügeln, Schlagflügeln, Starrflügeln, Drehflügeln, Lifting Body.

Aerostatisches Fliegen

Die Bewegung eines Körpers in der Luft, der mit einem Gas geringerer Dichte als die umgebende Luft gefüllt ist und statischen Auftrieb erfährt, wird aerostatisches Fliegen genannt. Aerostatisches Fliegen wird mit dem Archimedischen Prinzip beschrieben; z. B. Fliegen eines Freiballons.

Aktiver Flug unabhängig von umgebender Luft

Rückstoßantrieb

Der Flug eines Körpers durch den Raum mit Rückstoßantrieb wird mit Raketenantrieben realisiert. Der Rückstoßantrieb ist die praktische Anwendung des 3. Newtonschen Axioms; z. B. beim Raumflug einer Rakete.

Passiver Flug

Der passive Flug eines Körpers als Geschoss nach anfänglicher Beschleunigung durch mechanische Energie oder durch ein Treibmittel beschreibt eine ballistische Flugbahn (Wurfparabel). Auch der Flug eines Speers oder Pfeils ist ballistisch. Ballistische Flugbahnen werden in der Ballistik beschrieben.

Jeder Körper, der sich in einem freien Fall, also unter dem ausschließlichen Einfluss der Schwerkraft, weitgehend ungebremst von Luft oder anderer Atmosphäre befindet, befindet sich in Schwerelosigkeit. Bei einem Parabelflug wird durch das aktive Fliegen einer Wurfparabel eine ballistische Flugbahn simuliert, um für einige Sekunden Schwerelosigkeit zu erzeugen.

Geräte, die geeignet sind, nicht nur in Luft, sondern auch im Weltraum zu fliegen, werden Flugkörper genannt. Raketen, künstliche Satelliten, Raumsonden und andere Raumflugkörper befinden sich immer dann, wenn keine Triebwerke eingesetzt werden, auf ballistischen Flugbahnen. Diese Flugbahnen können ggf. periodische Umlaufbahnen um einen Himmelskörper oder um den Lagrange-Punkt eines Dreikörpersystems sein.

Die Samen der „Pusteblume“ sind Schirmflieger

Flug in der Natur

Auftrieb von Pflanzensamen und Spinnen

→ Hauptartikel: Meteorochorie

Die Pflanzensamen der sogenannten Windflieger sind mit Einrichtungen zum passiven Fliegen ausgestattet.

Bestimmte Spinnenarten stoßen Fädenbündel aus, die dann zusammen mit ihnen vom Wind erfasst werden. Sie können so schwebend mehrere 100 Kilometer zurücklegen.

Beflügelung hat sich bei drei Wirbeltiergruppen konvergent entwickelt:
1 Flugsaurier
2 Fledertiere
3 Vögel.
Ihre Vorderextremitäten sind homologe Gebilde und in ihrer Funktion als Flügel zugleich eine Analogie. Die Flügel werden bei Pterosauriern vom 4. Finger getragen, bei den Fledertieren vom 2. bis 5. und bei den Vögeln wesentlich vom 2. Finger.

Tiergruppen

Einige Wasserlebewesen wie Fische, Pinguine und Meeressäuger sind zu Luftsprüngen befähigt, Fliegende Fische (Familie Exocoetidae) können Distanzen bis zu 400 m in der Luft per Gleitflug zurücklegen.

Die meisten kletternden und laufenden Landtiere können Luftsprünge vollführen. Die meisten Landtiere sind beflügelt, sodass sie auch größere Entfernungen fliegend zurücklegen können: Insekten (Klasse Insecta) stellen den Großteil der Landtiere und die meisten adulten Insekten besitzen zwei Flügelpaare.

Unter den Landwirbeltieren (Stamm Vertebrata) entstanden im Lauf der Evolution mehrfach konvergent flugfähige Formen.

Unter den Reptilien (Klasse Reptilia) waren die ausgestorbenen Flugsaurier (Pterosauria) flugfähig, unter den rezenten gibt es nur Flugdrachen (Gattung Draco), die zum Gleitflug befähigt sind. Schmuckbaumnattern beherrschen den Gleitflug.

Die meisten Vögel (Klasse Aves) und unter den Säugetieren (Klasse Mammalia) sind die Gleitbeutler (Familie Petauridae, begrenzt auf Gleitflug), Gleithörnchen (Tribus Pteromyini, begrenzt auf Gleitflug) und Fledertiere (Ordnung Chiroptera) flugfähig.

Flugausführungen

Bei der Ausführung des Fliegens kann unterschieden werden zwischen Gleitflug, Segelflug, Gaukelflug, Rüttelflug, Schwirrflug, Schlagflug oder Ruderflug und weiteren Flugformen. Dazu kommen besondere Flugausführungen wie der Balzflug z. B. bei Bekassinen, welche nicht primär als Fortbewegung ausgeführt werden. Bei einigen Insekten dient der Flug im Schwarm zur Begattung, z. B. beim Hochzeitsflug mancher Hautflügler oder beim Schwarmtanz (englisch nuptial flight) mancher Eintagsfliegen. Der Kompensationsflug dient der Aufrechterhaltung der Verbreitung in einem Habitat.

Insektenflug

→ Hauptartikel: Insektenflug

Schwebfliege im Schwirrflug

Insekten nutzen verschiedene Techniken, um zu fliegen. Abhängig von der Größe des Insekts und seiner Fluggeschwindigkeit ist die Luft für das Insekt unterschiedlich „zäh“. Besonders kleine Insekten „schwimmen“ daher in der Luft, die für sie aufgrund ihrer Größe und Fluggeschwindigkeit ähnlich zäh wirkt wie Wasser. Ihre Flügel sind daher nicht aerodynamisch geformt, sondern ähneln eher einem schnell rotierenden „Paddel“.

Vogelflug

Zeichnung Lilienthals in seinem Buch Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst

Der Flug eines Vogels unterliegt beim Auftrieb den gleichen grundsätzlichen aerodynamischen Gesetzmäßigkeiten wie ein Tragflächenflugzeug. Das kinetische Wirkprinzip besteht jedoch aus einer komplexen Bewegung der Flügel. Auftrieb wird wesentlich durch die Flügelform, Vortrieb durch Auf- und Abschlag der Flügel bewirkt. Ähnlich wie bei einem Flugzeug mit Propeller, dessen Rotorblätter letztlich senkrechte Tragflächen darstellen, wird die für den Vortrieb nötige vertikale Luftströmung dadurch erzeugt, dass die sogenannten Handbereiche an den Flügelenden beim Abschlag mit der Vorderkante nach vorne unten gedreht werden, beim Aufschlag zeigt die Vorderkante des Handbereiches nach oben. Die Vorwärtsbewegung kann aber auch ohne Flügelschlag dadurch bewirkt werden, dass der Vogel im Gleitflug die potentielle Energie, die er mit seiner Flughöhe gewonnen hat, in Vortrieb umsetzt. Ein Versuch, die Leistungsfähigkeit verschiedener Vogelarten auf der Grundlage des Verhältnisses der Länge der Handschwingen zur gesamten Flügellänge zu bestimmen, ist der Handflügelindex.

Interessant ist, dass die Flügelschlagfrequenz von Zugvögeln während des über lange Strecken führenden Vogelzugs, z. B. über die Sahara, nicht die gleiche ist wie beim Kurzstreckenfliegen in ihrer jeweiligen Zielregion. Beim „Alltagsfliegen“ ist ihre Flügelschlagfrequenz höher, da sie sich möglichst schnell fortbewegen wollen. Während des Vogelzugs teilen sie ihre Kräfte besser ein, da eine geringere Flügelschlagfrequenz weniger Energieaufwand bedeutet. Dies hat unter Ornithologen einige Zeit lang zu Verwirrung geführt, als sie versuchten, mit Radargeräten fliegende Vögel auf dem Vogelzug anhand der Schlagfrequenz zu bestimmen.

Große Vögel

Braunpelikane gleiten dicht über der Meeresoberfläche, um auf diese Weise Energie durch den Auftrieb des Bodeneffekts zu sparen

Der energie- und kraftsparende Gleit- und Segelflug ist besonders bei großen Vögeln zu beobachten. Ihr Flug galt lange Zeit als ein großes (unentdecktes) Geheimnis. Es gibt eine Reihe natürlicher Ursachen, die den Antrieb beim Segelflug entbehrlich machen: Aufwinde an Berghängen, erwärmte und daher aufsteigende Luftmassen (Thermik) oder die Böigkeit des Windes (dynamischer Segelflug). Greifvögel können auf ihren Beuteflügen innerhalb ihres ausgedehnten Jagdreviers große Strecken zurücklegen, teilweise mehr als hundert Kilometer pro Tag. Der Albatros mit Spannweiten von bis zu 3,5 Meter ist in der Lage, sich im Seewind stundenlang fast regungslos in der Luft zu halten. Einige Vögel beherrschen außerdem den Rüttelflug, bei dem sie sich fliegend auf der Stelle halten.

Kleine Vögel

Kleine Vögel können sich zumeist sowohl im Segel- als auch im Ruderflug fortbewegen. Der sehr kleine Kolibri beherrscht als einer der wenigen Vögel darüber hinaus den Schwirrflug, dabei fliegt er mit einer sehr hohen Frequenz von bis zu 80 Flügelschlägen pro Sekunde. Diese Technik ermöglicht, auch rückwärts oder seitwärts zu fliegen oder in der Luft stehen zu bleiben, ähnlich den Insekten.

Schwarmverhalten

Durch die Bildung von Schwarm und V-Formation im Flug reduzieren Vögel den Energieaufwand, indem – schräg dahinter – nachfolgende Vögel die Auftriebszone des Randwirbels des Vorausfliegenden nutzen. Bei großen Vögeln könnte darüber hinaus noch eine Synchronisation des Flügelschlags in V-Formation vorteilhaft sein.

Technischer Nachbau

Eine Robotermöwe, die über einen aktiven Gelenktorsionsantrieb komplett den Vogelflug nachvollzieht und sich damit von einfachen Schlagflügelapparaten unterscheidet, stellte 2011 erstmals der Automatisierungshersteller Festo auf der Hannover Messe vor. Festos SmartBird kann dabei selber starten und landen und erzeugt seinen Auftrieb wie Vorschub nur mit den Flügeln.

Technische Flugkörper

Leichter als Luft

Bei der Ballonfahrt wird der aerostatische Auftrieb durch das Traggas in Gaszellen oder durch Heißluft erzeugt. Auf die Fahrt mit einem Ballon oder einem Luftschiff wird im Fachjargon das Wort „Fliegen“ nicht angewendet, es wird stattdessen vom „Fahren“ gesprochen. Dies könnte historischen Ursprung haben, da die ersten Ballonfahrer das Vokabular der Seefahrt übernahmen.

Hybride Formen nutzen aerostatischen Auftrieb plus aerodynamische Kräfte. Luftschiffe erzeugen einen geringen Teil (etwa fünf Prozent) des erforderlichen Auftriebs aerodynamisch durch sich drehende Propeller. Hybridluftschiffe nutzen die Aerodynamik stärker und vereinen die Eigenschaften von Luftschiffen und Flugzeugen.

Ein Kytoon – eine Mischform aus Drachen und Ballon – nutzt zusätzlich zum Auftrieb passiv die Anströmung durch den Wind. Bionische Flugobjekte verwenden Bewegungselemente, die an den Vogelflug oder an das Tauchschwimmen von Meerestieren angelehnt sind. Das Indoor-Flugobjekt Air Jelly von Festo verwendet den Rückstoß von acht Paddeln an Tentakeln ähnlich einem Kraken oder einer Qualle. AirRay und AirPenguin, beide ebenfalls von Festo, ähneln Rochen und Pinguin.

Schwerer als Luft

Geschichte

→ Hauptartikel: Geschichte der Luftfahrt

Entwürfe von Leonardo da Vinci für einen Flugapparat, Kodex über den Vogelflug, 1505

Otto Lilienthal während eines Gleitflugs

Orville Wright fliegt mit dem Motorflugzeug „Kitty Hawk“

Fliegen können „wie die Vögel“ war seit alters her ein Menschheitstraum. So ist aus der antiken griechischen Mythologie die Sage von Dädalos und Ikarus überliefert, die sich mittels selbst hergestellter Flügel vogelgleich durch die Luft bewegten. Schon in dieser antiken Sage wird technische Unkenntnis und übermütige Vernachlässigung von Sicherheitsvorkehrungen als menschliches Risiko beim Fliegen thematisiert (Ikarus missachtet, dass die von seinem Vater Dädalos mittels Wachs und Vogelfedern hergestellten Flügel beim Annähern an die Sonne schmelzen, und verunglückt tödlich).

In der Realität war es Menschen ohne Kenntnis der physikalischen Grundlagen des aerodynamischen Fluges zunächst nur möglich, sich mit bemannten Flugdrachen in der Luft zu bewegen oder mit meist phantasievoll gebauten Apparaten allenfalls durch Zufall in eine kurzfristige Auftriebsphase zu gelangen, ohne diese längere Zeit fliegend nutzen zu können (vgl. Albrecht Ludwig Berblinger). Laut einer islamischen Chronik hat der Gelehrte Abbas Ibn Firnas als erster Mensch einen (mit Geierfedern versehenen) Hängegleiter entwickelt und im Jahr 875 einen Flugversuch unternommen. Allerdings soll er sich bei der raschen Landung infolge eines Strömungsabrisses beide Beine gebrochen haben.

Trotz der Vorbilder in der Natur hat der Mensch lange gebraucht, um das Funktionsprinzip des Flügels zu verstehen und technisch nachzuahmen. Die Anwendung empirisch-wissenschaftlicher Methoden (Leonardo da Vinci, George Cayley) brachte erste verwertbare Erkenntnisse und Anregungen für die empirische Flugerforschung, die jedoch erst im ausgehenden 19. Jahrhundert zum Verständnis der Wirkungsweise des Flügels und erfolgreichen Flugversuchen führten. Erste erfolgreiche Flüge mit Apparaten, die geeignet waren, das Gewicht eines Menschen zu tragen gelangen zunächst im Gleitflug (z. B. Otto Lilienthal, Octave Chanute, Brüder Wright).

Längere Flugstrecken mit einem steuerbaren Flugzeug zurückzulegen gelang erst mit der Nutzung motorisierter Starrflügel-Flugzeuge Anfang des 20. Jahrhunderts. Die Brüder Wright legten mit ihren erfolgreichen Motorflügen den technischen Grundstein für eine rasante Entwicklung in der Geschichte der Luftfahrt, die bis heute fortdauert. Erst die bei der Entwicklung moderner motorisierter Flugzeuge gewonnenen Erkenntnisse haben den Bau funktionstüchtiger muskelkraftbetriebener Flugzeuge ermöglicht. Der Hubschrauberflug unterliegt den gleichen aerodynamischen Prinzipien wie der Flugzeugflug, wobei allerdings die Vertikalbewegung durch sich drehende Tragflächen (Rotoren) bewirkt wird.

Physikalische Grundlagen

→ Hauptartikel: Dynamischer Auftrieb

Die Funktion der Tragfläche ist die Erzeugung von dynamischem Auftrieb. Dies geschieht durch Beeinflussung der Luftströmung mittels einer geeigneten Form und Stellung des Flügels zur Strömung. Mit zunehmender Geschwindigkeit ergibt sich auf der Tragflächenoberseite infolge der größeren Strömungsgeschwindigkeit durch den Bernoulli-Effekt ein Unterdruck. Wenn die diesem Unterdruck entsprechende Auftriebskraft so groß wie das Gewicht des Flugzeugs ist, kann es sich fliegend in der Luft halten.

Die Größe der Auftriebskraft ist abhängig von Geschwindigkeit, Anstellwinkel und Tragflächengeometrie. Während sich die Geschwindigkeit mit der Antriebsleistung und durch Änderung der Flughöhe ändert, kann der Anstellwinkel mit dem Höhenruder verändert werden. Selbst die Tragflächengeometrie ist während des Fluges veränderbar, z. B. mit Hilfe der Landeklappen. Die Vorwärtsbewegung wird (mit Ausnahme von Segel- und Gleitflugzeugen) mit Motorleistung aufrechterhalten. Teils geschieht dies mit Hilfe von Flugmotoren, die einen oder mehrere Propeller antreiben, teils mittels Strahltriebwerken, manchmal in Kombination (Turbopropantrieb).

Flugmanöver sind Einwirkungen auf den Flug durch den Piloten. Hierzu zählen Steig- und Sinkflug, im Gegensatz zum Reise- oder Horizontalflug.

Ornithopter

→ Hauptartikel: Ornithopter

Obwohl die biologischen Vorbilder, Vögel, Fledermäuse und Insekten, sich seit Millionen von Jahren flügelschlagend fortbewegen (Schlagflug), hat der Mensch bis in jüngste Zeit gebraucht, um die Mechanismen des Flügelschlags zu enträtseln und technisch umsetzen zu können. Ein spektakulärer Erfolg wurde im Jahr 2011 mit einer künstlichen Silbermöve, dem SmartBird vorgestellt. Ein sehr kleiner Ornithopter bildet alleine durch 3 zueinanderklappende Paddel (Tragflächen) das Schwimmen der Qualle nach. Entwickelt von Leif Ristroph und Stephen Childress an der Universität New York.

Siehe auch

• Flugreise

Literatur

• David E. Alexander: Nature’s flyers – birds, insects, and the biomechanics of flight. Johns Hopkins University Press, Baltimore 2002, ISBN 0-8018-6756-8.
• Peter Almond: Fliegen – Geschichte der Luftfahrt in Bildern. Aus dem Englischen übersetzt von Manfred Allié. DuMont Monte, Köln 2003, ISBN 3-8320-8806-7.
• Naomi Kato, Shinji Kamimura : Bio-mechanisms of swimming and flying. Springer, Tokyo 2008, ISBN 978-4-431-73379-9.
• Konrad Lorenz: Der Vogelflug. Neske, Pfullingen 1965.
• Henk Tennekes: The simple science of flight – from insects to jumbo jets. MIT Press, Cambridge 2000, ISBN 0-262-20105-4.

Weblinks

Wikiquote: Fliegen – Zitate

• Umfangreiche Lehrmaterialien auf dem Portal Schulfernsehen des Südwestrundfunks (SWR) (einschließlich Videofilm und Weblinksammlung) zum Thema „Warum fliegen Flugzeuge?“.
• Informationsseite Anschauliche Aerodynamik, von einem Modellflugclub erstellt.
• Ausführliche Erläuterungen über den Vogelflug auf dem Portal der Eastern Kentucky University (Bird Flight, in Englisch).
• Video: Technik des Vogelfluges. Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF) 1980, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.3203/IWF/D-1368.