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Ein künstliches Flugzeug fliegt nach den gleichen physikalischen Prinzipien wie ein Vogel: Es muss die Schwerkraft überwinden, um Auftrieb und Flug zu erreichen. Flügel eines Flugzeugs erzeugen den Auftrieb, und dies erreichen sie, indem sie den Luftstrom um sie herum krümmen. Ohne Flügel ist ein Flugzeug nur ein Automobil.
Flugzeugkräfte
Flugzeuge - und Vögel - können fliegen, weil sie vier Kräfte ausgleichen: Heben, Gewicht, Ziehen und Stoßen. Ein Flugzeug hebt in die Luft ab, wenn der Auftrieb - die Kraft, die auf der Unterseite seiner Flügel nach oben drückt - aufgrund der Schwerkraft das Gewicht des Flugzeugs übersteigt. Der Auftrieb wird durch den Luftstrom um das Flugzeug erzeugt, insbesondere um die Tragflächen. Luftwiderstand ist die Kraft des Luftwiderstands gegen die Bewegung des Flugzeugs. Diese Kraft nimmt mit zunehmender Flugzeuggeschwindigkeit zu, nimmt jedoch ab, wenn das Flugzeug eine glatte oder aerodynamische Form hat. Der Motor und das Antriebssystem des Flugzeugs, entweder der Jet oder der Propeller, erzeugen eine Schubkraft, um den Luftwiderstand zu überwinden.
Newton und Bernoulli
Zwei europäische Wissenschaftler erklärten die Prinzipien des Flugzeugflugs. Der englische Physiker Isaac Newton (1642–1727) führte drei Bewegungsgesetze auf, die für alle bewegten Objekte gelten. Das erste ist, dass Objekte in Ruhe oder in gleichmäßiger Bewegung bleiben, es sei denn, sie müssen sich durch eine äußere Kraft ändern. Die zweite besagt, dass eine auf ein Objekt gerichtete Kraft es veranlasst, in Richtung dieser Kraft zu beschleunigen. Das dritte besagt, dass für jede Kraft eine gleiche und entgegengesetzte Kraft existiert. Der Schweizer Mathematiker Daniel Bernoulli (1700–1782) war ein Pionier bei der Entwicklung einer mathematischen Erklärung für die Strömungsmechanik von Flüssigkeiten und Gasen. Sein wichtigstes Ergebnis, das Bernoulli-Prinzip, besagt, dass der Luftdruck mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt.
Angriffswinkel
Flugzeugflügel sind so konstruiert, dass sie sich leicht von der Horizontalen neigen, was auch als Flugbahn bezeichnet wird. Dieser Neigungswinkel wird als Anstellwinkel bezeichnet und ist die wichtigste Variable bei der Erzeugung des Auftriebs. Ein Flugzeug beginnt sich zu bewegen, wenn der Pilot den Schub des Motors ausübt, um das Flugzeug auf dem Boden vorwärts zu bewegen. Der Pilot dreht das Flugzeug nach oben, indem er die Nase anhebt, um den Anstellwinkel zu erhöhen und den Start zu erzielen. Ein zu großer Anstellwinkel blockiert jedoch das Flugzeug.
Strömungskrümmung
Der Auftrieb wird durch Luft erzeugt, die sich um die Flügel eines Flugzeugs windet. Wenn der Luftstrom auf die Vorderkante eines Flügels trifft, teilt er sich in zwei Teile, von denen einige entlang der oberen Oberfläche und andere entlang der unteren Oberfläche fließen. Die Form eines Flügels ist leicht asymmetrisch mit einer größeren Oberfläche auf der Oberseite. Der Luftstrom bleibt an der Oberseite haften, während er sich zwischen den Vorder- und Hinterkanten des Flügels bewegt und den Druck nach dem Bernoulli-Prinzip krümmt und senkt. Wenn das Flugzeug schneller wird, erhöht sich der Auftrieb gemäß Newtons zweitem Bewegungsgesetz. Dies erhöht wiederum die Luftkrümmung an der oberen Oberfläche, wodurch mehr Luft von der Hinterkante der Flügel nach unten gedrückt wird. Während sich das Flugzeug durch die Luft bewegt, lenkt die Unterseite der Flügel, die im Anstellwinkel dem Luftstrom zugewandt ist, auch einen Teil des Luftstroms nach unten. Diese Abwärtsluftströmung erzeugt eine gleichmäßige und entgegengesetzte Reaktion in einer Aufwärtsströmung von Hochdruckluft (Newtons drittes Gesetz), die den Auftrieb erhöht und das Flugzeug in der Luft hält.