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Hinweis: Im Web gibt es sehr viele gute Seiten über die Geschichte des Fliegens. Diese Seite versteht sich als Wegweiser zu diesen Seiten und greift nur die wesentlichen Meilensteine der Entwicklung heraus. Wiederholt sind auch kleinere Aufgaben enthalten, die zu einem genauen Lesen der empfohlenen Seiten anregen sollen. |
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"Fliegen" - im Sprachgebrauch ein unscharfer Begriff |
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Wir kennen inzwischen viele Objekte, welche fliegen: Vögel, Flugzeuge, Hubschrauber, Heißluftballone, Raketen usw. Dabei sind die physikalischen Prinzipien, welche den vorgenannten Objekten das "Fliegen" gestattet recht unterschiedlich.  Bei Vögeln, Flugzeugen und Hubschraubern ist es der aerodynamische Auftrieb, der dazu führt, dass die Flügel des Vogels, die Tragflächen des Flugzeugs oder die Rotorblätter des Hubschraubers eine Kraft nach oben erfahren. Damit dieser aerodynamische Auftrieb zustande kommt, muss der Flügel, die Tragfläche, das Rotorblatt geeignet geformt sein und schon mit einer gewissen Geschwindigkeit (z.B. horizontal) durch die Luft bewegt werden. Oft wird diese Art zu Fliegen als: "Fliegen, schwerer als Luft" bezeichnet. |
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 Beim Ballon ist es der statische Auftrieb (die Gasfüllung des Ballons hat eine geringere Dichte als die Umgebungsluft), der ein Steigen und ein Schweben gestattet. Dies ist analog zum Steigen und Schwimmen eines Gegenstandes im Wasser. Aufgrund dieser Analogie sagen Fachleute daher nicht "ein Ballon fliegt", sondern "ein Ballon fährt". Damit ein Ballon steigt, ist es nicht wie beim Flugzeug nötig, dass er sich bereits mit einer Horizontalgeschwindigkeit bewegt. Oft wird diese Art zu Fliegen als: "Fliegen, leichter als Luft" bezeichnet. |
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 Bei der Fortbewegung der Raketen spielt weder der aerodynamische Auftrieb noch der statische Auftrieb eine wesentliche Rolle, sondern der Rückstoß (actio gegengleich reactio: Die Rakete stößt heiße Gase nach unten aus und bewegt sich selbst daher nach oben). |
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Von Sagen zu ersten Entwürfen und Versuchen |
Aufgabe
Die Sage von Dädalos und Ikaros
[Public domain], via Wikimedia Commons
Der Menschheitstraum vom Fliegen besteht schon seit Urzeiten. In der Sage von Dädalos und Ikaros, die auch bei Ovids Metamorphosen beschrieben ist, wird dargestellt, wie Dädalos und Ikaros, die auf der Insel Kreta gefangen gehalten wurden, durch Erfindungsreichtum ihrem Gefängnis entfliehen konnten.
a)Informiere dich im Internet über die Sage von Dädalos und Ikaros. Schreibe in ein paar Sätzen nieder, um was es bei dieser Sage geht und beschreibe knapp die Ausrüstung der beiden.
b)Prüfe die Aussage in Ovids Metamorphosen: "". . . als der Knabe begann sich über den kühnen Flug zu freuen, sich von seinem Führer trennte und, angezogen durch die Begierde nach dem Himmel, einen höheren Weg nahm. Die Nähe der glühenden Sonne machte das duftende Wachs, das Band der Federn, weich. Das Wachs war geschmolzen. Jener schwingt die nackten Arme, und da er keinen Flugapparat mehr hat, bekommt er keine Luft zu fassen, und sein Mund, der den väterlichen Namen ruft, wird durch das blaue Wasser aufgenommen, das von ihm seinen Namen bekam." kritisch aus physikalischer Sicht.
Besonders intensiv - wenn auch nur theoretisch - hat sich das Universalgenie Leonardo da Vinci (1452 - 1519) mit Flugapparaten auseinander gesetzt. Er studierte den Aufbau von Tierflügeln sehr genau und legte dies in noch heute erhaltenen Skizzen nieder (Bild unten links). Bemerkenswert ist der Flugapparat, der als Vorstufe der heutigen Hubschrauber angesehen werden kann (Bild unten rechts). Er besteht im Wesentlichen aus einer rotierenden "Luftschraube".
[Public domain], via Wikimedia Commons
[Public domain], via Wikimedia Commons
Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film "Leonardo da Vinci und die Anatomie".
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Der Schneider von Ulm
Gleiter von Ulm, von Johannes Hans (Internet) In der Literatur wird über eine Reihe von Flugversuchen berichtet (meist Gleitflüge) von denen im deutschen Sprachraum der "Schneider von Ulm" genannte Albrecht Berblinger einen gewissen Bekanntheitsgrad erreichte. Bei einem Flugversuch von einer 20m über der Donau aufgebauten Rampe (die Mär, dass Berblinger vom Ulmer Münster gesprungen sei, stimmt nicht) sollte er vor den Augen von König Friedrich von Württemberg im Mai 1811 mit seinem Fluggerät die Donau überqueren. Der Versuch misslang und Berblinger musste von Fischern aus der Donau gerettet werden. Heute weiß man, dass das von Berblinger gebaute Fluggerät tatsächlich flugtauglich gewesen wäre. Die Fallwinde über der relativ kalten Donau verhinderten jedoch den Erfolg. |
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Systematische Versuche und erste Erfolge |
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Die Montgolfiere und das Luftschiff Zeppelin 
Montgolfière am 19. Oktober 1783 
Luftschiff LZ 2 Flug 1905, von Huhu Uet Im Jahre 1783 erhob sich der von den Gebrüdern Montgolfier gebaute Heißluftballon in Südfrankreich in die Lüfte. Nur wenige Monate später folgte der erste Gasballon von Prof. Charles. Der Nachteil dieser Gefährte war, dass man sie kaum steuern konnte und somit den Windströmungen ausgesetzt war. Erst mit den Luftschiffen des Grafen Zeppelin (erstes Luftschiff LZ 1 im Jahr 1900) war die Steuerung eines Flugobjekts, das nach dem Prinzip "leichter als Luft" gebaut war, möglich. |
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Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film "Die Brüder Montgolfier und der Heißluftballon". |
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Aufgabe
Die folgende Abbildung zeigt einen Schnitt durch das Luftschiff LZ 1 mit dem Graf Zeppelin am 2. Juli 1900 für 18 Minuten in der Luft war. Das Luftschiff war \(128{\rm{m}}\) lang, der mit Wasserstoff gefüllte Teil des Luftschiffs hatte einen maximalen Durchmesser von \(11,65{\rm{m}}\), die Gesamtmasse betrug etwa \(13{\rm{t}}\).
Abbildung aus Lexikon der gesamten Technik (1904) von Otto Lueger, via Wikimedia Commons
a)Bestimmen Sie das Volumen des gasgefüllten Raumes näherungsweise.
b)Bestätigen Sie durch eine Rechnung, dass LZ 1 die Gesamtmasse von \(13{\rm{t}}\) in der Luft halten konnte.
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Große Fortschritte durch Otto Lilienthal
Otto Lilienthal (1848 - 1896) Ein großer Fortschritt in den Flugbemühungen wurde durch Otto Lilienthal (1848–1896) erzielt. Lilienthal, der schon in seiner Jugend von der Idee des Fliegens besessen war, begann im Alter von 19 Jahren mit ersten Flugexperimenten, vernachlässigte aber - im Gegensatz zu vielen seiner Vorgänger - nicht die theoretische Beschäftigung mit dem Fliegen. Von 1867 an durchlief er an der Gewerbeakademie in Berlin (heute würde man dazu Technische Universität sagen) ein Ingenieurstudium und arbeitete bis 1883 bei verschiedenen Maschinenbaufirmen. Im Alter von 35 Jahren gründete er in Berlin eine eigene Maschinenfabrik, die Dampfmaschinen und Dampfkessel herstellte. In seiner Freizeit experimentierte Lilienthal systematisch an Flugmodellen und meldete darüber einige Patente an. Seine theoretischen und praktischen Erfahrungen, sowie seine Studium des Vogelfluges fasste er in seinem Werk: "Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst (1889)" zusammen. Im Jahr 1891 - also nach mehr als 20 Jahren der eher theoretischen Beschäftigung mit dem Fliegen - erfolgten mit dem aus einem Geflecht von Weidezweigen und einer Baumwolltuch-Bespannung gebauten Modellen (die eine entfernte Ähnlichkeit mit den modernen Hängegleitern hatten) erste Sprung- und Gleitübungen. Dabei erreichte Lilenthal schon eine Flugweite von ca. 25m. In den Folgejahren ging es Schlag auf Schlag: Neben den Gleitern wurden auch Flügelschlag-Apparate (Nachahmung des Vogelflugs) und die ersten Doppeldecker gebaut. Bei den Flügelschlagapparaten versuchte man erstmals sogenannte Kohlesäuremotoren zu verwenden, war aber darin noch nicht erfolgreich. Lilienthal lies einen eigenen Absprunghügel erbauen und schaffte 1893 bereits eine Flugweite von 250m. Ab 1894 lies Lilienthal seinen sogenannten Normalapparat bereits in Serie fertigen. Im August 1896 stürzte Lilienthal aus einer Höhe von ca. 15m ab, er überlebte den Sturz nicht. 
Gleitflug von Lilienthal 1895 Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film "Der Gleiter von Otto Lilienthal". |
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Erster Motorflug durch die Gebrüder Wright Die beiden Söhne eines protestantischen Bischofs interessierten sich schon als Jugendliche für die Technik und hier insbesondere für die Luftfahrttechnik. Sie besuchten die High-School führten sie aber nicht zu Ende. Zunächst gründeten sie eine Fahrrad-Reparatur-Werkstatt in Dayton (USA) und schließlich bauten sie in einer kleinen Fabrik selbst entworfene Fahrräder. Mit Hilfe ihrer handwerklichen Fähigkeiten, die sie sich beim Fahrradbau erworben hatten und den theoretischen Kenntnissen, die sie zum großen Teil aus den Schriften Lilienthals gewannen, gelang den Gebrüdern der Bau eines steuerbaren Doppeldecker-Gleitapparates mit Propeller, der von einem 12PS-Motor angetrieben wurde. Am 17. Dezember 1903 erhob sich Orville Wright, auf der unteren Tragfläche liegend, aus eigener Motorkraft mit dem 340kg schweren Fluggerät "Flyer" für 12s in die Luft und flog ganze 37m weit. Noch am gleichen Tag erreichten die Gebrüder in 15s eine Weite von 61m. Nach diesem ersten - zuverlässig dokumentierten - Motorflug ging die Entwicklung rasch weiter: Im Jahre 1905 hielt sich ein von den Wrights gebautes Flugobjekt bereits länger als eine halbe Stunde in der Luft und legte bei dem Rundflug beachtliche 39km zurück. Besonders großes Interesse an einem Motorflugzeug hatte das Militär. 1909 stellte die amerikanische Army einen Wright-Flyer in seine Dienste, das deutsche Militär folgte mit einem französischen Modell im Jahre 1910. Als eines der ersten Verkehrsflugzeuge kann die in Russland 1914 gebaute "Sikorsky Ilja Muromez" angesehen werden. Sie hatte Platz für 16 Passagiere. 
Erster erfolgreicher Flug der "Flyer" der Gebrüder Wright |
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Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film "Das Flugzeug der Gebrüder Wright". Originalaufnahmen zeigt der englischsprachige Film Wright Brothers First Flight, 1903 - A Day That Shook The World. |
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Großer Fortschritt durch Strahltriebwerke Bei den heutigen Flugzeugen, gibt es nur noch einen sehr kleinen Anteil an "Propeller-Maschinen" (meist kleine Sportflugzeuge oder Spezialmaschinen) die überwiegende Mehrheit der Flugzeuge ist mit Strahltriebwerken ausgestattet (man spricht von "Düsenjets"). Strahltriebwerke arbeiten wie z.B. die im Unterricht oft vorgeführte Luft- bzw. Wasserrakete nach dem Rückstoßprinzip: Das Strahltriebwerk saugt die Umgebungsluft an und stößt die Verbrennungsgase und heiße Luft mit hoher Geschwindigkeit aus. Nach dem Reaktionsprinzip von Newton erfährt das Strahltriebwerk und das mit ihm fest verbundene Flugzeug eine Schubkraft deren Richtung entgegengesetzt zur Ausstoßrichtung des heißen Gases ist. Strahltriebwerke haben im Gegensatz zu den mit Kolbenmotoren betriebenen Propeller-Triebwerken nur rotierende Teile und sind daher auch bei sehr langen Betriebszeiten sehr zuverlässig, außerdem lassen sich mit ihnen höhere Fluggeschwindigkeiten erzielen. Die Herstellung der Turbinen erfordert jedoch eine außerordentlich hohe Präzision. Gegen groben Staub, wie er z.B. bei Vulkanausbrüchen auftritt sind die Strahltriebwerke sehr empfindlich. Das erste mit einem Strahltriebwerk betriebene Flugzeug, die Heinkel He 178 wurde in Deutschland kurz vor Beginn des 2. Weltkrieges im August 1939 in Betrieb genommen. Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film "Frank Whittle, Hans von Ohain und das Strahltriebwerk". Wenn Sie am Aufbau eines Strahltriebwerks interessiert sind, so gehen Sie zur Seite über Strahltriebwerke. 
Heinkel He 178, Quelle: USAF, via Wikimedia Commons 
Modernes Turbofan-Triebwerk von David Monniaux (Eigenes Werk) |
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Hinweis: Das erste "Raketenflugzeug", welches vom Flugzeug mitgeführtes Gas ausstößt, flog im Jahre 1928. Näheres finden Sie hierzu im Artikel Raketenflugzeug bei Wikipedia. |
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Seit den oben geschilderten Anfängen der Fliegerei hat die Luftfahrt sowohl im militärischen als auch zivilen Bereich stark an Bedeutung gewonnen. Wie umfangreich die Nutzung der Flugzeuge inzwischen geworden ist, wurde z.B. anlässlich des Vulkanausbruchs auf Island im Jahre 2010 deutlich, als der Flugverkehr in Nord- und Mitteleuropa sehr stark beeinträchtigt war (nur noch tieffliegende Propellermaschinen konnten noch einigermaßen sicher fliegen). Am 15.04.2010 mussten ca. 7000 der 28000 täglichen Flüge in Europa ausfallen. Als Folge davon saßen Zehntausende von Fluggästen fest. Zum Schluss sollen noch einige Daten über die zwei zurzeit größten Passagiermaschinen von Airbus und Boeing sowie der zurzeit größten Frachtmaschine, der Antonow A225 zusammen gestellt werden:
War früher ein Flug nur für begüterte Personen möglich, so ist heute das Fliegen fast für jedermann möglich. Manchmal ist sogar ein Flug von A nach B billiger als eine Bahnreise. Dabei soll man sich aber bewusst sein, das beim ökologischen Vergleich der Verkehrsmittel - unter realistischer Auslastung - der Kohlendioxidausstoß des Flugzeugs sehr viel höher als der von einem Reisebus und der Eisenbahn ist. Dies gilt auch für den Verbrauch an Primärenergie in Liter pro Person. Erschwerend kommt noch dazu, dass die Flugzeuge ihre Abgase in einer Schicht der Atmosphäre ausstoßen, die sehr sensibel ist. Hinweis: Der Traum vom Fliegen ist in Erfüllung gegangen. Damit der Mensch mit seinen Flugapparaten abheben kann, muss er unverhältnismäßig mehr Energie aufwenden als z.B. ein Vogel. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgrad beim Vogelflug deutlich höher ist als der bei den Flugzeugen. Einen erfolgreichen Versuch, den Vogelflug besser zu imitieren, zeigt die Reportage SmartBird: Die Geschichte des Fliegens und die Entschlüsselung des Vogelflugs. |
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