Untersuchungen zur Selbstständigkeit von Kindern bei der Erarbeitung eines physikalischen Inhalts im Sachunterricht

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1. Die Faszination des Fliegens
1.1 Einführung.
1.2 Vom Fallen zum Fliegen - Die Geschichte der Luftfahrt
1.3 Erklärungen des Fliegens.
1.3.1 „Fliegen“ nach dem Prinzip „leichter als Luft“
1.3.2 Fliegen nach dem Prinzip „schwerer als Luft“.
1) Die Erklärung über den Rückstoß (Newton)
2) Die Erklärung über den Druck (Bernoulli).
3) Die Erklärung über die Zirkulation.
1.4 Das Fliegen in der Natur.
1.5 Flugkörper aus der kindlichen Erfahrungswelt
1.6 Das Flugprinzip von Raketen und Hubschraubern

2. Die Methode des selbstständigen Lernens
2.1 Zum Begriff der Selbstständigkeit
2.1.1 Das Prinzip der Selbstaktivität
2.1.2 Das Prinzip der Selbstbestimmung bzw Selbstorganisation.
2.1.3 Das Prinzip der Selbststeuerung.
2.3 Offener Unterricht als Methode selbstständigen Lernens
2.3.1 Organisatorische Öffnung.
2.3.2 Methodi sche Öffnung
2.3.3 Inhaltliche Öffnung
2.3.4 Soziale Öffnung
2.4 Begründungen selbstständigen Lernens.
2.5 Begründungen für das physikalische Thema „Fliegen“ im Sachunterricht und Folgerungen für den Unterricht

3. Praktische Erprobung zum selbstständigen Erarbeiten des Fliegens
3.1 Die Rahmenbedingungen
3.1.1 Institutionelle Bedingungen
3.1.2 Anthropologische Bedingungen
3.2 Der Unterrichtsverlauf
3.2.1 Die erste Unterrichtsstunde
3.2.2 Die zweite Unterrichtsstunde
3.2.3 Die dritte und vierte Unterrichtsstunde
3.2.4 Die fünfte und sechste Unterrichtsstunde
3.2.5 Die siebte Unterrichtsstunde.
3.3 Zusammenfassung

Abschließendes Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Einleitung

Die vorliegende Arbeit thematisiert im Allgemeinen die Selbstständigkeit von Schülern bei der Erarbeitung eines naturwissenschaftlichen Inhalts im Sachunterricht. Dadurch dass die Selbstständigkeit im Laufe der Zeit immer mehr zu einem zentralen Begriff (nicht nur) in der Grundschulpädagogik geworden ist und heute als wichtiges Unterrichts- und Erziehungsziel gefordert wird, soll hier mittels einer Untersuchung in einer dritten Grundschulklasse erörtert werden, ob und inwieweit diese Schüler in der Lage sind, ein naturwissenschaftliches Thema selbstständig zu erarbeiten. Explizit soll dabei das physikalische Fliegen behandelt werden.

Selbstverständlich kann diese Untersuchung einen groben Maßstab für andere Schüler einer dritten Schulklasse bilden, jedoch nicht als allgemeingültig und repräsentativ betrachtet werden, da die Untersuchung lediglich an einer Grundschulklasse durchgeführt wurde. Verschiedene Faktoren wie das soziale Umfeld, die Vorkenntnisse der Schüler, sowie die Motivation können die Ergebnisse einer Untersuchung beeinflussen. Daher kann es möglich sein, dass bei einer Untersuchung einer anderen dritten Jahrgangsstufe differierende Ergebnisse erzielt werden. Trotzdem kann die hier beschriebene und reflektierte Erprobung einen interessanten Einblick verschaffen.

Der erste Teil der Arbeit soll den Leser zunächst in Form einer Sachanalyse mit den theoretischen Grundlagen des Fliegens vertraut machen. Dazu wird zu Beginn die historische Entwicklung im Vordergrund stehen, um einen Einblick in die Anfänge des Fliegens zu vermitteln und die Entwicklung über Jahrhunderte bewusst werden zu lassen. Dies ist besonders aus dem Grund wichtig, da viele dieser Prinzipien bis heute ihre Gültigkeit nicht verloren haben (siehe Heißluftballon).

Im Anschluss daran folgt der direkte Einstieg in die physikalischen Erklärungen des Fliegens. Dabei werden im ersten Teil Flugkörper thematisiert, die aufgrund ihrer Dichteeigenschaft in die Luft steigen können und somit nach dem Prinzip „leichter als Luft“ fliegen. Der Schwerpunkt liegt allerdings auf der Erklärung des Fliegens von Flugkörpern, die „schwerer als Luft“ sind und denen der dynamische Auftrieb (die Erklärung dazu findet sich im entsprechenden Kapitel) zugrunde liegt. Da in vielen Literaturen jeweils unterschiedliche Erklärungsmuster geboten werden, werde ich die drei häufigsten vorstellen und ihre Plausibilität hinterfragen. Dabei werden sich die Erklärungen auf das Flugprinzip eines Passagierflugzeugs beziehen, da dieses alle Faktoren des Fliegens einschließt und auf sämtliche weitere Flugkörper übertragen werden kann.

Zuletzt werde ich noch kurz und knapp einige wichtige Flugkörper aus dem Alltag vorstellen und ihr Flugprinzip erläutern.

Das zweite große Kapitel dieser Arbeit setzt sich mit der Theorie der Selbstständigkeit auseinander, auf der die praktische Untersuchung beruht. Um die Selbstständigkeit der Schüler überprüfen und bewerten zu können ist es natürlich notwendig sich vorab die Bedeutung des Begriffs bewusst zu machen. Daher wird dieser anfangs unter Einbeziehung und Abgrenzung seiner verschiedenen Prinzipien erklärt.

In den meisten Schulen geht der Unterricht, trotz Forderung nach selbstständigem Lernen und Eigeninitiative der Schüler, vom Lehrer aus. Das bedeutet, dass dieser die meiste Zeit der Akteur im Unterricht ist und die Schüler die Rezipienten, die ihr Wissen aus einem Transport vom Lehrer zum Schüler beziehen. Beim selbstständigen Lernen wird die ausschließliche Anwendung diese Methode allerdings strikt abgelehnt und „umgekrempelt“. Daher ergibt sich sowohl seitens der Lehrer, als auch seitens der Schüler eine Wandlung ihrer Rolle im Unterricht, auf die schließlich im angrenzenden Abschnitt näher eingegangen wird. Die daraus resultierende Veränderung der methodischen Komponente wird direkt im Anschluss daran erläutert.

Zum Schluss werden dem Leser noch einige Begründungen genannt, die die zunehmende Forderung des selbstständigen Lernens und die Behandlung des physikalischen Fliegens im Sachunterricht rechtfertigen. Außerdem werden die Folgerungen, die sich für den Unterricht der Untersuchung ergeben, geschildert.

Im dritten Teil geht es schließlich um die praktische Unterrichtseinheit. Es werden zu jeder Unterrichtsstunde die jeweiligen Stundenziele erläutert und der Verlauf reflektiert. Dabei werden die Eindrücke, wie die Schüler mit der selbstständigen Arbeit umgegangen sind, ihre Vorgehensweisen und Ergebnisse geschildert.

In einer Zusammenfassung wird dann noch einmal kurz und knapp eine Übersicht über die zentralsten Auffälligkeiten und Ergebnisse der Unterrichtseinheit dargelegt.

Abschließend wird die Untersuchung kritisch betrachtet, die Stärken und Schwächen reflektiert und mögliche Verbesserungsvorschläge für die Zukunft genannt. Außerdem wird es darum gehen, inwieweit das Thema Fliegen wirklich für den Sachunterricht geeignet ist.

1. Die Faszination des Fliegens

1.1 Einführung

Während vor gar nicht allzu langer Zeit das Fliegen mit dem Flugzeug noch als Luxus galt, ist Fliegen heute nichts Außergewöhnliches mehr und zur Selbstverständlichkeit geworden. Trotzdem fasziniert es die Menschen weiterhin, da sie oftmals keine Erklärungen dafür finden können, wie ein tonnenschweres Flugzeug sich in der Luft halten kann.

Der Begriff des Fliegens bezeichnet im Allgemeinen die Fortbewegung eines Körpers, das heißt eines Lebewesens oder eines Luftfahrzeugs, im Luftraum, bei der die auf jeden Körper wirkende Schwerkraft überwunden werden muss (vgl. Der Brockhaus 1994, S.311). Dies geschieht einerseits durch die geringere Dichte des Körpers im Vergleich zur Luft und andererseits durch eine Auftriebserzeugung, die aus den Luftströmungen resultiert. Genau genommen wird je nach Prinzip zwischen „Fliegen“ und „Fahren“ unterschieden. Umgangssprachlich wird allerdings häufig alles, was sich durch die Luft bewegt als „Flugzeug“ bezeichnet.

Das Augenmerk soll hier auf dem Prinzip der Auftriebserzeugung durch Luftströmungen liegen und somit das Fliegen von Körpern, die „schwerer als Luft“ sind, thematisieren.

1.2 Vom Fallen zum Fliegen - Die Geschichte der Luftfahrt

Schon immer war es ein großer Traum der Menschheit, fliegen zu können. Dieser Wunsch spiegelt sich in vielen Sagen und Mythen wieder, in denen Menschen es geschafft haben, allein durch ihre Muskelkraft vom Boden abzuheben. Ovids griechische Sage von Dädalus und Ikarus ist dabei wohl die Bekannteste von allen. Ihr zufolge fertigte Dädalus seinem Sohn Ikarus Flügel aus Wachs und Federn an, um aus der Gefangenschaft des Königs Minos zu fliehen. Es gelang ihm, seinen Sohn zum fliegen zu bringen. Ikarus allerdings stieg zu weit nach oben, kam der Sonne zu nahe, woraufhin das Wachs, welches die Federn zusammenhielt, erweichte und die Federn löste, und stürzte ins Meer (vgl. Großes Lexikon 1995, S.187/400). In der Realität erwies sich dieses Prinzip, welchem das Nachahmen eines Vogelflugs zugrunde liegt, allerdings als unmöglich.

Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen, einen Menschen zum Fliegen zu bringen stammten von Leonardo da Vinci aus dem Jahre 1504. Seine Studien zum Vogelflug bewegten ihn dazu, verschiedene Flugapparate zu entwickeln, die auf dem Antrieb aus eigener Muskelkraft durch Schwingen der Arme (daher auch der Name Schwingenflug) beruhen (vgl. Barwitzki 2002, S.13). Belege dafür, dass er jemals praktische Flugversuche durchgeführt hat, gibt es jedoch nicht (vgl. Send 2003, S.65).

Der erste Flug eines Menschen gelang ohne Flügel. Die französischen Brüder Joseph und Etienne Montgolfier beobachteten, dass eine Papiertüte aufsteigt, wenn man die Luft unter ihr erwärmt. Daraufhin bauten sie einen großen Ballon unter dessen Öffnung sie ein Feuer entzündeten. Der Auftrieb der erwärmten Luft brachte diesen schließlich nach dem Prinzip „leichter als Luft“ zum Fliegen (vgl. Auernheimer/ Meyer 1980, S.50). 1784 startete so der erste bemannte Heißluftballon, der neun Kilometer weit flog. Nachdem der Physiker Charles kurze Zeit später herausfand, dass einige Gase, wie zum Beispiel Wasserstoff, noch leichter sind, als erwärmte Luft, wurden die Ballone auch mit diesen gefüllt. Diese Wasserstoffballons nannten sich Dank seines Erfinders Charlière. Als nachteilig erwies sich allerdings die Tatsache, dass sich Ballone nicht in ihrer Richtung steuern lassen, sondern nur in ihrer Höhe. Man konnte deshalb, und das ist auch heute noch so, nur dorthin fliegen, wohin der Wind einen trug.

Erst lange nach dem Ballonflug fand man heraus, dass auch Körper, die schwerer als Luft sind, in der Lage sind, zu fliegen. Als Auslöser dafür galten die Beobachtungen von Störchen, die sich mit ausgebreiteten Schwingen in den Wind stellen und ohne Flügelschlag in die Luft gehoben werden. Untersuchungen von Flügelflächen und -profilen deckten auf, dass die gewölbten Flügel dafür verantwortlich sind. 1852/53 erprobte Georg Cayley dann das erste mit einem Menschen besetzte Gleitflugzeug, welchem die noch heute übliche gewölbte Flügelform zugrunde lag. Obwohl der Pilot wieder sicher am Boden ankam, blieb es bei diesem einen Flug.

Auch Otto Lilienthal stützte sich auf die Untersuchungen von Vogelflügen und Flügelprofilen und entwickelte erst knapp 40 Jahre später (1891) den „Hängegleiter“. Mit diesem führte er hunderte erfolgreiche Flüge durch und erreichte dabei Höhen von bis zu 350 Metern (vgl. Barwitzki 2002, S.13). Aufgrund dessen gilt er heute als der Erfinder des Gleitfluges. Seine Flugapparate bestanden aus mit Leinwand bespannten Leisten und Brettern, und wurden nur durch die Verlagerung des Schwerpunktes gesteuert. Bei zu starker Windgeschwindigkeit erwies sich die Steuerung der Fluggeräte allerdings als unzureichend, was Lilienthal 1896 zum Verhängnis wurde. Als eine Böe ihn bei einem Gleitflug aus der Bahn warf, stürzte er ab und starb an den Folgen seiner Verletzungen (vgl. Liebers 2004, S.46).

Lilienthals Gleiter wurden später zu Segelflugzeugen weiterentwickelt. Allerdings haben auch diese, ebenso wie die Gleiter und die Ballone das Manko, von der Luft abhängig zu sein. Weht also kein Wind, kann auch kein Auftrieb entstehen und der Gleiter bzw. das Segelflugzeug kann nicht abheben. Das erkannten auch die Brüder Orville und Wilbur Wright und entwickelten einen Motor für den Propellerantrieb, welcher das Fluggerät selbst vorantrieb, aber gleichzeitig auch nicht zu schwer war. Zusätzlich konstruierten sie erstmalig in der Geschichte des Fliegens Höhen-, Seiten- und Querruder zur Steuerung des Gleiters, um nicht, wie Lilienthal, den Winden machtlos ausgeliefert zu sein (vgl. Bayerischer Rundfunk). Nach erfolgreichem Abschluss der Entwicklungen startete so am 17. Dezember 1903 Orville Wright als erster Mensch mit einem Motorflugzeug. Der beste Flug dieses Tages dauerte knapp eine Minute und erreichte eine Geschwindigkeit von fast 50 km/h (vgl. Barwitzki 2002, S.14).

In dieser Zeit, genau genommen drei Jahre zuvor im Jahre 1900, fand auch ein Höhepunkt der Weiterentwicklung der Ballontechnik statt. Da ein Ballon sich nicht in seiner Richtung steuern ließ und daher völlig auf den Wind angewiesen war, erfand Ferdinand Graf Zeppelin ein lenkbares Luftschiff, den nach ihm benannten Zeppelin. Dieser bestand aus einem mit Stoff überzogenem länglichen Aluminiumgerüst, an dem unten eine Gondel für die Mannschaft und die Passagiere hing. Durch seinen Propellerantrieb wurde er vorangetrieben und konnte zusätzlich durch die Höhen- und Seitenruder in seiner Richtung gesteuert werden. Gefüllt wurde er mit Wasserstoff, einem hochexplosiven Gas, welches auch dafür verantwortlich war, dass 1937 die Ära der Luftschiffe vorbei war, nachdem das größte Luftschiff Feuer fing und explodierte (ebd.).

Aufbauend auf der Erfindung der Brüder Wright ging die Entwicklung des motorisierten Fluges rasch voran, bis 1939 das erste Flugzeug mit Düsenantrieb von Heinkel startete. Mit diesen Düsen- oder auch Strahlflugzeugen begann in den 50er Jahren dann der zivile Luftverkehr. 1969 wurde das erste Großraumflugzeug, die Boeing 747, eingeführt, die Millionen von Menschen Luftreisen ermöglichte (ebd.).

Bis heute wurden diese Großraumflugzeuge von Ingenieuren und Konstrukteuren immer weiter entwickelt. Ausschlaggebend war, die Flugzeuge immer größer, luxuriöser und besser werden zu lassen. Mittlerweile sind diese hochtechnisiert. Hinzu kommen Entwicklungen bezüglich der Umweltfaktoren, in dem Sinne, dass bei gleicher Leistung immer weniger Treibstoff verbraucht werden soll. Die Geschichte der Luftfahrt setzt sich also auch in Zukunft immer weiter und schneller fort.

1.3 Erklärungen des Fliegens

1.3.1 „Fliegen“ nach dem Prinzip „leichter als Luft“

Ballone und Zeppeline funktionieren nach den Gesetzen der Aerostatik und somit nach dem Prinzip des Auftriebs, der Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Dieses Prinzip wurde vor mehr als zweitausend Jahren von Archimedes formuliert und besagt, dass in Luft und in Gasen eine Auftriebskraft wirkt, die denselben Betrag hat wie die Gewichtskraft der verdrängten Gasmenge (Archimedisches Gesetz) (vgl. Bergmann/ Schröder 1994, S.196-197). Um einen Auftrieb zu erfahren bedeutet das, dass das Gewicht des gesamten Ballons bzw. Zeppelins (im Folgenden durch die gleiche Funktionsweise unter dem Begriff „Ballon“ zusammengefasst), geringer sein muss, als das Gewicht der Luft, die er verdrängt. Um dies zu erreichen wird die Luft in der Hülle des Ballons mittels eines Brenners erhitzt. Diese heiße Luft hat eine geringere Dichte als die Umgebungsluft, ist also leichter und steigt nach oben. Dabei zieht sie den Ballon mit sich. Dieser steigt so hoch, bis „die Dichte der Luft so gering ist, wie die des Ballons“ (Gross- Berhag 1985, S.155). Dort schwebt er. Durch die Abkühlung der eingeschlossenen Luft nimmt die Dichte wieder zu und der Ballon beginnt zu sinken (vgl. Höfling 1966, S.232).

Heiße Luft ist allerdings nicht die einzige Methode mit der ein Ballon abheben kann. Ein noch größerer Auftrieb wird erzeugt, wenn die Ballonhülle mit Helium oder sogar Wasserstoff, dem leichtesten aller Gase gefüllt wird. Nachteilig an diesem ist allerdings, dass es hochexplosiv und somit nicht ungefährlich ist, was 1937 bereits einige Passagiere zu spüren bekamen (siehe 1. Abschnitt). Beeinflusst werden kann das Steigen und Sinken zusätzlich durch den Abwurf mitgeführter Gewichte, bzw. durch das Ablassen des Gases durch ein Ventil.

Obwohl in der heutigen Zeit das Schweben eines Ballons in der Luft häufig als „Fliegen“ bezeichnet wird, ist dieser Begriff aus physikalischer und historischer Sicht nicht korrekt. Seitens der Physiker gilt, dass alles, was leichter als Luft ist, fährt. Da der Ballon diesem Prinzip entspricht, heißt es nicht „Ballonflug“, sondern „Ballonfahrt“ (vgl. Römeling).

Historisch wird die Verwendung des Begriffs „Fahren“ damit begründet, dass die Montgolfiere schon damals das Schweben im Luftmeer mit dem Schweben in Wasser gleichsetzten. Da die Seefahrer auf dem (Wasser-) Meer fahren, fahren auch Ballonfahrer im Luftmeer (ebd.).

1.3.2 Fliegen nach dem Prinzip „schwerer als Luft“

Im Gegensatz zu dem vorangegangenen Prinzip ist das Fliegen von Flugkörpern, die schwerer als Luft sind, um einiges komplexer.

Grundsätzlich gilt, dass Insekten, Vögel und Flugzeuge sich trotz differierender Flugtechniken in ihren Merkmalen, die sie zu einem Flieger auszeichnen, nicht unterscheiden. Sie fliegen alle nach den gleichen physikalischen Gesetzen. Das Fliegen kann hierbei allerdings nicht mit dem statischen Auftrieb erklärt werden, da der Dichteunterschied zur Luft zu groß ist, um diesen auszugleichen. Vielmehr spielt hier die dynamische Auftriebskraft eine Rolle, die aus den Luftströmungen, die auf den Körper einwirken, resultiert und stets senkrecht zur Luftströmung gerichtet ist (vgl. Liebers 2004, S.8). Um einen Körper nun zum Fliegen zu bringen, muss die dynamische Auftriebskraft die Gewichtskraft des Körpers überwinden (ebd., S.53) Wie das funktioniert und welche Faktoren von grundlegender Bedeutung sind, wird im Folgenden detailliert am Beispiel eines modernen Verkehrsflugzeugs erläutert.

Während des Horizontalfluges, das heißt bei konstanter Geschwindigkeit, Höhe und Richtung wirken auf ein Flugzeug vier Kräfte ein:

- Der Auftrieb, eine nach oben gerichtete Kraft, die das Flugzeug in der Luft hält;
- Die Schwerkraft, bzw. das Gewicht, eine dem Auftrieb entgegen gesetzte, nach unten gerichtete Kraft, die das Flugzeug zur Erdoberfläche zieht;
- Der Schub, eine nach vorne gerichtete Kraft, die das Flugzeug durch das Triebwerk vorwärts treibt und
- Der Widerstand, eine nach hinten gerichtete Kraft, die der Flugrichtung entgegenwirkt und das Flugzeug bremst (vgl. Kühr 1986, S.7).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 : Die vier auf ein Flugzeug einwirkenden Kräfte (ebd.)

Wie jeder andere Körper, unterliegt auch das Flugzeug der Schwerkraft und wird von der Erde angezogen. Bewegt es sich nun noch durch die Luft, ist es zusätzlich dem Luftwiderstand und somit der Bremskraft ausgesetzt und wird entgegengesetzt der Bewegungsrichtung gedrückt. Sowohl die Schwerkraft, als auch der Widerstand sind natürliche Kräfte. Im Gegensatz dazu werden der Schub und der Auftrieb künstlich erzeugt. Diese Kräfte sind notwendig, um die natürlichen Kräfte zu überwinden und dem Flugzeug das Fliegen zu ermöglichen (ebd.).

Zur Überwindung des Luftwiderstandes wird Energie benötigt. Diese Energie wird durch das Triebwerk des Flugzeugs erzeugt und verleiht diesem den nötigen Schub, um es vorwärts zu bewegen. Die Stärke des Schubs bestimmt dabei die Geschwindigkeit des Flugzeugs. Ist der Schub größer als der Widerstand, tritt eine Beschleunigung ein; ist der Schub geringer als der Widerstand, sinkt die Geschwindigkeit. Sind beide Kräfte genau gleich groß, bleibt die Geschwindigkeit, wie es während des Horizontalfluges der Fall ist, konstant (ebd., S.8).

Aufgrund der Abhängigkeit von Luftwiderstand und Form eines Körpers wurde die Form des Flugzeugs so gewählt, dass es einen möglichst geringen Luftwiderstand erfährt. Dieser „wird [nämlich] umso größer, je mehr sich die Form des Profils von der eines Stromlinienkörpers entfernt“ (Liebers 2004, S.9).

Neben der Gleichgewichtsbedingung von Schub und Widerstand muss allerdings noch eine weitere Bedingung erfüllt sein, damit sich ein Flugzeug vom Boden abheben und in der Luft halten kann: die Überwindung der Schwerkraft durch den dynamischen Auftrieb. Verantwortlich dafür sind die Tragflächen (oder Flügel), die den notwendigen Auftrieb erzeugen und der Schub, der das Flugzeug vorwärts bewegt und ihm die nötige Startgeschwindigkeit verleiht (vgl. Send 2003, S.67). Während der Beschleunigung steigt die Auftriebskraft. Sobald diese größer ist, als die Gewichtskraft, hebt das Flugzeug vom Boden ab (vgl. Liebers 2004, S.53). Es steigt so lange, bis sich beide Kräfte im Gleichgewicht befinden. Entsprechend gilt, dass das Flugzeug sinkt, sobald das Gewicht dem Auftrieb überlegen ist.

Die wichtigste Voraussetzung für das Zustandekommen des Auftriebs ist die Form und der Anstellwinkel der Tragfläche. Ein Querschnitt durch diese zeigt das Tragflächenprofil und veranschaulicht die spezielle Wölbung an Ober- und Unterseite (Abb.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Querschnitt durch eine Tragfläche

Der vordere Teil des Tragflächenprofils ist abgerundet. Die Oberseite ist vorne durch eine starke Wölbung nach oben definiert und läuft nach hinten flacher und spitz aus. Die Unterseite dagegen ist schwächer und nur leicht nach oben gewölbt, sozusagen hohl (vgl. Liebers 2004, S.7). Insgesamt ergibt sich also eine asymmetrische Form, die für die Erzeugung des Auftriebs eine große Bedeutung hat. Durch Ausfahren der Vorflügel und Landeklappen kann die Tragflächengeometrie noch verändert werden. Dadurch wird die Auftriebswirkung der Flügel um das Dreieinhalbfache erhöht. Dies ist besonders beim Landen wichtig, da das Flugzeug trotz geringer Geschwindigkeiten genügend Auftrieb erhält.

Allein durch die Form kann allerdings noch kein Auftrieb entstehen. Erst durch den Anstellwinkel, dem Winkel zwischen der Tragfläche und der Strömungsrichtung der Luft, ist die Erzeugung einer nach oben gerichteten Kraft möglich, da die Luftströmungsverhältnisse durch die leichte Schrägstellung des Profils beeinflusst werden. Ist der Winkel, in dem das Profil zur Luftströmung steht beispielsweise gleich null, ist der Auftrieb minimal (vgl. SWR Funkhaus Baden-Baden).

Beide Faktoren bilden die Grundlage des Fliegens und werden in den drei häufigsten Erklärungstypen zum Fliegen daher im Folgenden näher erläutert. Zu diesen Erklärungstypen gehören:

- Die Erklärung über den Rückstoß (Newton)
- Die Erklärung über den Druck (Bernoulli) und
- Die Erklärung über die Zirkulation

1) Die Erklärung über den Rückstoß (Newton)

Das erste Erklärungsmuster beruht auf den mechanischen Prinzipien des Physikers Isaak Newton und knüpft an das Wechselwirkungsgesetz an. Dieses Gesetz besagt, dass eine Kraft und ihre Gegenkraft sich wechselseitig bedingen, entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind (vgl. Gross-Berhag 1985, S.92).

Begründet wird das Zustandekommen des Auftriebs nun damit, dass die Luft gegen die Unterseite der Tragfläche prallt und nach unten umgelenkt wird. Dadurch erfährt die Tragfläche nach dem Wechselwirkungsgesetz eine nach oben gerichtete Kraft, die Gegenkraft. Der Rückstoß drückt also das Flugzeug nach oben, es entsteht Auftrieb (Abb. 3) (vgl. SWR Funkhaus Baden-Baden).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Umlenkung des Luftstroms an einer Tragfläche nach dem Rückstoßprinzip (SWR Funkhaus Baden-Baden)

Wichtig ist hierbei der Anstellwinkel. Erst durch ihn kann die Luft umgelenkt werden. Wäre dieser gleich null, hätte die Luft so gut wie keine Angriffsfläche und würde an dem Flügel vorbeiströmen. Allerdings darf dieser auch nicht zu groß werden, da die Luft sonst nicht nach unten gelenkt werden, sondern einfach abprallen würde, entgegengesetzt der Luftströmung, ähnlich eines Balles, den man waagerecht vor eine Wand wirft. Die Luftablenkung nach unten und somit auch der Auftrieb würden also abreißen. Würde man den Anstellwinkel negativieren, so dass die vordere Kante nach unten zeigt, würde das Flugzeug in den Sinkflug eintreten.

Auf den ersten Blick erscheint dieser Ansatz einleuchtend und leicht verständlich. Bei genauerer Betrachtung wird jedoch deutlich, dass mit diesem

Prinzip allein das Fliegen nicht erklärt werden kann und einige wichtige Aspekte außer Acht gelassen wurden.

Zum einen wird die Luft nicht als „Ganzes“ betrachtet, sondern als voneinander unabhängige Luftmoleküle. Das würde bedeuten, dass ein Teil der Luftmoleküle auf das Profil trifft, genau dort, wo das Profil den weiteren zum Flugweg parallelen Strömungsweg verhindert und der andere Teil der Luft ungehindert weiterströmen kann. Hinter dem Profil würde somit ein Vakuum (bzw. ein so genannter Windschatten) entstehen (Abb. 4) (vgl. Wodzinski/ Ziegler 1998, S. 329). Ein solches Vakuum kann es aufgrund der Strömungsmechanik in der Realität aber nicht geben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Naive Erklärung (ebd.)

Zum anderen würde nach dem Rückstoßprinzip der gesamte Auftrieb von der Unterseite der Tragfläche abhängig sein. Die Oberseite bleibt vollkommen unberücksichtigt. Demnach würde ein Flügel mit einem rechteckigen Profil denselben Auftrieb erzeugen, wie ein Flügel, der an der Oberseite gewölbt ist. Das ist allerdings nicht so (vgl. SWR Funkhaus Baden-Baden). Es ist zwar nicht falsch, dass die Luft umgelenkt wird, trotzdem muss es noch eine andere Erklärung dafür geben, weshalb die Tragfläche eine Wölbung an der Oberseite hat. Dazu dient die Erklärung nach Bernoulli.

2) Die Erklärung über den Druck (Bernoulli)

Das Phänomen des Auftriebs durch unterschiedliche Druckverhältnisse an Ober- und Unterseite einer Tragfläche, beruht auf einer Entdeckung des schweizer Physikers Daniel Bernoulli aus dem Jahre 1738. Dieser fand nämlich heraus, dass der Druck in strömenden Flüssigkeiten oder Gasen kleiner ist, als in ruhenden und mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit immer kleiner wird (Gesetz von Bernoulli) (vgl. Höfling 1966, S.257). Diese Erkenntnis kann nun für die Erklärung der Auftriebserzeugung an Trägflächenprofilen angewendet werden.

Durch die Bewegung des Flugzeugs werden die Tragflächen von Luft umströmt. Bedingt durch die asymmetrische Form der Tragfläche, wird die Strömung so verändert, dass die Luft an der Oberseite schneller strömt als an der Unterseite des Flügels. An der Oberseite entsteht durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit nach Bernoulli ein Unterdruck. Dieser Unterdruck, der auch als Sog bezeichnet wird, „saugt“ das Flugzeug nach oben. Gleichzeitig bewirkt die langsamere Luftströmung an der Unterseite des Flügels, eine Druckerhöhung. Es entsteht ein Überdruck, der das Flugzeug nach oben „drückt“ (vgl. Kühr 1986, S.10). „Diese Druckdifferenz entspricht dem Auftrieb“ und hält das Flugzeug in der Luft (Wodzinski 1999, S.21). Die folgende Abbildung stellt die Druckverhältnisse noch einmal bildlich dar. Dabei gilt, dass der Druck umso größer ist, je länger der Pfeil ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Überdruck und Unterdruck an einer Tragfläche (Liebers 2004, S.8)

In Zahlen setzt sich die Auftriebskraft etwa aus zwei Dritteln Sog und einem Drittel Unterdruck zusammen. Die Richtung der Kräfte ist der oberen Abbildung zu entnehmen (vgl. Kühr 1986, S.11).

Die Frage, warum die Luft über dem Flügel schneller strömt als unter ihm, ist damit allerdings noch nicht geklärt. Häufig findet man dazu die falsche Erklärung, dass der Geschwindigkeitsunterschied auf der Länge des Weges, den die Luft zurücklegen muss, beruht. Sie besagt, dass die Luft sich an der Flügelspitze teilt und am Ende des Flügels wieder gleichzeitig ankommt. Aufgrund des längeren Weges an der Oberseite durch die Wölbung, muss die Luft dort schneller strömen, um am Flügelende wieder zeitgleich mit der Luft, die an der Unterseite entlang strömt, anzukommen (vgl. SWR Funkhaus Baden-Baden).

Simulationen zu Luftströmungen haben allerdings eindeutig bewiesen, dass die Luft, die an der Oberseite des Flügels strömt nicht gleichzeitig mit der Luft, die unten herum strömt, ankommt. Vielmehr ist es so, dass die Luftschicht oberhalb der Tragfläche die untere Luftschicht überholt (Abb. 6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: zeitlicher Verlauf der Luftströmung an Ober- und Unterseite einer Tragfläche (Denker)

Nach dieser Simulation wird also deutlich, dass der längere Weg nicht des Rätsels Lösung sein kann. Eine plausible Erklärung für dieses Phänomen kann nur über die Zirkulationsströmung geliefert werden.

Problematisch an der Erklärung nach Bernoulli ist außerdem, dass die unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit und somit der Auftrieb lediglich in der Asymmetrie der Tragfläche begründet ist. Würde demnach die Luft auf ein symmetrisches Profil treffen, bei dem Ober- und Unterseite gleich stark gewölbt oder gerade sind, müsste die Luft sich ebenfalls an der Flügelspitze teilen, jedoch an beiden Seiten gleich schnell strömen. Dadurch würde weder ein Über- noch ein Unterdruck und folglich kein Auftrieb entstehen. Die schnellere Strömung an der Oberseite wird erst durch ein asymmetrisches Profil bewirkt (vgl. Liebers 2004, S.8). Der Bernoulli-Erklärung zufolge dürfte also eine bewegte Platte oder ein symmetrisches Flügelprofil keinen Auftrieb erzeugen können. Wenn man allerdings bedenkt, dass auch ein Drachen oder ein Kunstflugzeug mit symmetrischen Profilen fliegen kann, wird deutlich, dass auch der Ansatz nach Bernoulli keine vollständige Auftriebserklärung liefert. Dieser lässt nämlich den Anstellwinkel völlig außer Acht. Würde man nämlich bei einem symmetrischen Profil den Anstellwinkel verändern, würde auch bei diesem Auftrieb erzeugt werden können. Beim Horizontalflug allerdings würde bei diesem aufgrund der gleichgroßen Strömungsgeschwindigkeit an Ober- und Unterseite kein Unter- bzw. Überdruck entstehen. Das Flugzeug hätte also keinen Auftrieb und befände sich in einem ständigen Sinkflug. Erst durch das erneute anstellen des Profils würde es wieder an Höhe gewinnen. Um eine weite Strecke zurück zu legen sind symmetrische Profile daher nicht geeignet.

Der Anstellwinkel bei asymmetrischen Profilen bewirkt, dass sich zusätzlich zum ohnehin schon entstehenden Auftrieb durch die Wölbung, ein noch stärkerer Auftrieb ergibt. Je nach Profil liegt der Anstellwinkel für den größtmöglichen Auftrieb zwischen 16 und 20 Grad, wobei dieser Winkel zum einen als kritischer Anstellwinkel gilt, da die Luft nicht mehr der Oberseite des Profils folgen kann, da eine Richtungsänderung der Luftströmung erforderlich wäre. Statt dessen strömt die Luft vom oberen Punkt des Profils gerade nach hinten, was zu Verwirbelungen an der Tragflächenoberseite führt und die Strömung turbulent werden lässt. Zum anderen nimmt der Widerstand bei größeren Anstellwinkeln zu, die durch entsprechenden Vortrieb ausgeglichen werden muss (vgl. Kühr 1986, S.19-20).

3) Die Erklärung über die Zirkulation

Wie aus den vorherigen Ausführungen zu schließen ist, lässt sich der Auftrieb allein durch den Anstellwinkel und das Bernoulli-Prinzip nicht vollständig erklären. Aus der Sicht der Strömungsmechanik liegt das Geheimnis des Auftriebs in der Zirkularströmung, welche auch für die Geschwindigkeitsunterschiede an Ober- und Unterseite der Tragfläche verantwortlich ist. Dabei passiert das Entscheidende schon beim Anfahren des Flugzeugs.

Beginnt ein Flugzeug sich langsam zu bewegen, strömt die Luft an der scharfen Hinterkante des Flügels nach oben, ein Stück um die Hinterkante herum, bis sie anschließend wieder der Anströmungsrichtung folgt. Mit zunehmender Geschwindigkeit muss die Luft an der Hinterkante immer schneller werden, um diese Kehrtwende zu machen. Da die Luft, die direkt an der Tragfläche anliegt aber durch Reibung mit der Oberfläche des Flügels gebremst und zurückgehalten wird, kann sie der Bewegung um die Hinterkante ab einer bestimmten Geschwindigkeit nicht mehr folgen und löst sich von der Hinterkante ab. Die Luft, die weiter außen liegt, wird allerdings nicht gebremst, folgt noch der Drehbewegung um die Hinterkante herum und rollt sich weiter hinten auf. Es entsteht ein Wirbel, der so genannte Anfahrwirbel (vgl. Wodzinski 1999, S.20). Dieser bleibt auf der Startbahn zurück.

Aufgrund der Drehimpulserhaltung können Wirbel allerdings nur paarweise auftreten. Das bedeutet, dass sich ein zweiter Wirbel bildet, ein Gegenwirbel, der um die gesamte Tragfläche zirkuliert (Abb. 7) (vgl. SWR Funkhaus Baden­Baden).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Anfahrwirbel und Gegenströmung (SWR Funkhaus Baden-Baden)

Durch die Zirkulation um die Tragfläche kann nun der Geschwindigkeitsunterschied erklärt werden. An der Oberseite strömt die Luft mit, an der Unterseite gegen den Luftstrom. Dadurch wird die Luft an der Oberseite beschleunigt und an der Unterseite gebremst. Man kann also sagen, dass die Strömungen sich addieren. Bemerkt werden sollte an dieser Stelle allerdings, dass die obige Abbildung und die Erklärung dazu lediglich ein mathematisches Modell aufzeigen. In der Realität strömt die Luft selbstverständlich nicht in die andere Richtung. Die Pfeile sollen ausschließlich die Gegenströmung darstellen.

Durch dieses Prinzip wird also die unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit an Ober- und Unterseite einer Tragfläche erklärt und das Argument des längeren Weges widerlegt. Wichtig, damit ein Flugzeug fliegen kann, ist letztendlich also auch die scharfe Hinterkante des Flügels, die den Anfahrwirbel hervorruft. Das erklärt auch, weshalb ein Flugzeug zum Starten eine Mindestgeschwindigkeit benötigt. Allgemein gilt: Je größer die Geschwindigkeit, desto größer der Auftrieb.

1.4 Das Fliegen in der Natur

Der Flug eines Vogels funktioniert nach den selben Gesetzen wie der Flug eines Flugzeugs. Ihre Flügelform gleicht durch die Wölbung der einer Tragfläche. Der wesentliche Unterschied liegt in der Erzeugung der Schubkraft. Während dies bei Flugzeugen durch die Triebwerke (oder auch durch Propeller), die außerhalb der Tragflächen angebracht sind, geschieht, ist bei Vögeln der Flügel selbst, an dem auch der dynamische Auftrieb entsteht, für den Schub verantwortlich (vgl. Send 2003, S.67).

Beim Aufsteigen oder auch bei einem horizontalen Ruderflug, einem Flug bei dem die Flügel eines Vogels aktiv bewegt werden, muss dieser gleichzeitig Auftrieb und Vortrieb erzeugen. Das geschieht nicht nur durch einfaches Auf- und Abschlagen der Flügel, sondern durch verschiedene Techniken, die sich zwischen großen und kleinen Vögeln unterscheiden (vgl. Liebers 2004, S.28). Große Vögel müssen aufgrund ihres Gewichts auch einen großen Auftrieb beim Auf- und Abschlagen der Flügel erzeugen. Dabei bleiben die Flügel die ganze Zeit über gestreckt. Der Teil des Flügels, der direkt am Körper des Vogels anliegt, bewegt sich bei dem Auf- und Abschlagen nur wenig. Dadurch entsteht dort durch die Luftströmung ein Sog wie bei der Tragfläche eines Flugzeugs. Beim Abschlag der Flügel werden diese so gedreht, dass ihre Vorderkante schräg nach vorn unten zeigt. Zusätzlich zum Auftrieb wird also der Vortrieb erzeugt. Beim Aufschlag dagegen zeigt die Vorderkante schräg nach oben. Hier wirkt die Vortriebskraft nicht (ebd.).

Kleine Vögel nutzen eine etwas andere Technik. Da diese sehr leicht sind, müssen sie während des Aufschlags keinen Auftrieb erzeugen. Deshalb werden die Flügel eng am Körper und zusammengefaltet nach oben gezogen, wobei durch das Aufstellen der Federn, ähnlich einer Jalousie, der Widerstand minimal wird und der Vogel so gut wie keine Kraft für diesen Vorgang benötigt. Die Auftriebserzeugung geschieht also nur während des Abschlags. (ebd.).

Je nach Flugtechnik unterscheiden sich auch die Formen der Flügel. Segler zum Beispiel nutzen die Hangaufwinde und thermischen Aufwinde für den Auftrieb und können dabei oft stundenlang ohne einen Flügelschlag in der Luft bleiben, wenn sie von Aufwind zu Aufwind gleiten. Landsegler haben dabei breite, oft brettartige Flügel und nutzen gleichmäßige Aufwinde. Meeressegler dagegen haben lange und schmale Flügel für kräftige Aufwinde über dem Meer und an Küsten (ebd., S.27)

Auch Insekten nutzen bei ihrem Flug die Drehbewegung ihrer Flügel. Im Unterschied zu den Vogelflügeln, sind die Flügel von Insekten aber wie dünne, ebene Platten. Nach den Gesetzen der Aerodynamik ist es eigentlich unmöglich, dass Insekten fliegen können. Ihr Körper ist für die kleinen Flügel viel zu schwer. Trotzdem gelingt es diesen Tieren aufgrund spezieller Flugtechniken zu fliegen.

Wie ein Flugzeug oder ein Vogel erzeugen auch Insekten Auftrieb durch ihre Flügel. Dabei werden die Flügel so gedreht, dass an der Oberseite ein gewaltiger Unterdruck entsteht. Das Insekt wird nach oben gesaugt. Eine wichtige Rolle spielt zusätzlich der Effekt nach der Drehung der Flügel (vgl. Leiterer). „Jedes Mal, wenn der Flügel seine Schlagrichtung ändert - von vorn nach hinten und umgekehrt - wandert er durch die Wirbel des vorherigen Schlages und nutzt damit dessen Saugkraft ein zweites Mal aus. Das verstärkt die Wirkung der Flügelschläge der Insekten um’s Doppelte. Es sind also viel größere Kräfte wirksam, als die bekannten Theorien zur Aerodynamik erlaubten“ (Dickinson, zit. n. Leiterer).

Des Weiteren gibt es in der Natur Samen und Früchte, die durch die Luft fliegen. Zu den bekanntesten Früchten zählen zum Beispiel die flügelartigen Früchte des Ahornbaumes, welche zu den Schraubenfliegern gehören. Diese bilden während des Wachstums ein symmetrisches Zwillingspaar, welches durch mit der Reife und Trockenheit der Luft auseinander bricht und zu einer einseitigen Frucht wird. Fällt die Frucht nun zu Boden, beginnt sie aufgrund des Luftwiderstandes und der Lage des Schwerpunktes zu rotieren. Es entstehen Auftriebskräfte und die Sinkgeschwindigkeit wird herabgesetzt (vgl. Liebers 2004, S.39).

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