Auf einen Körper in Luft wirkt eine Auftriebskraft, die so groß ist wie die Gewichtskraft der verdrängten Luft (Prinzip von Archimedes). Er steigt, wenn er insgesamt weniger Masse hat als die verdrängte Luft. Beim Heißluftballon erhitzt ein Brenner die Luft in der Hülle. Heiße Luft hat eine geringere Dichte, ein Teil strömt unten aus, und die Gesamtmasse sinkt unter die der verdrängten kalten Luft. Bei gleichem Druck ist die Dichte eines Gases umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur. Mit der Dichte $\rho_a$ der Außenluft, $\rho_i$ der Hüllenluft und dem Volumen $V$ trägt der Ballon eine Masse:

Ein Flugzeug ist viel schwerer als die verdrängte Luft und fliegt durch dynamischen Auftrieb. Der Flügel ist gewölbt und steht leicht schräg zur Strömung. Er lenkt die Luft nach unten ab, und nach dem Wechselwirkungsgesetz drückt die Luft ihn nach oben. Über der Oberseite strömt die Luft schneller, dort sinkt der Druck. Die Auftriebskraft wächst mit der Flügelfläche und mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Darum braucht ein Flugzeug zum Abheben eine Mindestgeschwindigkeit und fährt beim Landen Klappen aus, die Fläche und Wölbung vergrößern.

Es wirken vier Kräfte: Gewichtskraft, Auftrieb, Schub und Luftwiderstand. Im ruhigen Reiseflug mit gleichbleibender Geschwindigkeit sind Auftrieb und Gewichtskraft gleich groß und ebenso Schub und Widerstand. Das Verhältnis Auftrieb zu Widerstand heißt Gleitzahl.

Ein Flugzeug besteht aus Rumpf, Tragflächen, Leitwerk (stabilisiert), Fahrwerk und Triebwerken. Gesteuert wird mit Rudern: Querruder rollen das Flugzeug um die Längsachse, das Höhenruder neigt die Nase hoch oder runter, das Seitenruder dreht nach links oder rechts. Ein Strahltriebwerk saugt Luft an, verdichtet sie, verbrennt Kerosin darin und stößt die heißen Gase nach hinten aus. Leichtbau spart Treibstoff.

Vorbilder: Vogelflügel haben ein gewölbtes Profil, und die gespreizten Federn an ihren Spitzen verringern Luftwirbel, ähnlich wie Winglets an Tragflächen. Der Ahornsamen kreist als Drehflügel zu Boden, ein Prinzip des Hubschrauberrotors. Der Löwenzahnsamen schwebt am Haarschirm, ein Prinzip des Fallschirms.

Stößt ein Körper Masse mit hoher Geschwindigkeit nach hinten aus, wirkt auf ihn eine gleich große Kraft nach vorn. Das ist der Rückstoß: Ein losgelassener Luftballon, ein Strahltriebwerk und eine Rakete nutzen ihn. Eine Rakete trägt Treibstoff und Sauerstoff mit. Sie braucht keine Luft zum Abstützen und funktioniert darum im leeren Raum. Wenn die Masse $\Delta m$ in der Zeit $\Delta t$ mit der Geschwindigkeit $v_{aus}$ ausgestoßen wird, ist die Schubkraft:

1957 kam mit Sputnik 1 der erste Satellit ins All, 1961 flog Juri Gagarin als erster Mensch ins All, und 1969 betraten Menschen mit Apollo 11 den Mond. Seit 1998 wird die Internationale Raumstation (ISS) aufgebaut, seit dem Jahr 2000 ist sie dauerhaft bewohnt. Raumsonden wie Voyager erforschen die Planeten.

Technik: Eine Mehrstufenrakete wirft leere Stufen ab, damit deren Masse nicht weiter beschleunigt werden muss. Treibstoffe sind zum Beispiel flüssiger Wasserstoff mit flüssigem Sauerstoff. Satelliten haben Solarzellen, Antennen und eine Lageregelung. Eine Raumkapsel braucht beim Wiedereintritt einen Hitzeschild, denn die Luftreibung erhitzt sie sehr stark.

Ein Satellit auf einer Kreisbahn fällt ständig auf die Erde zu und verfehlt sie wegen seiner seitlichen Geschwindigkeit. Die Gravitation liefert die Kraft zum Kreismittelpunkt. Dicht über dem Boden muss die Beschleunigung zum Mittelpunkt gleich $g$ sein: $v^2 / R = g$. Daraus folgt die erste kosmische Geschwindigkeit:

Mit $g = 10$ m/s² und $R = 6400$ km ergibt sich 8000 m/s, genauer etwa 7,9 km/s. Das ist die kleinste Geschwindigkeit für eine Kreisbahn dicht über dem Boden, ohne Luftreibung. Die zweite kosmische Geschwindigkeit von etwa 11,2 km/s ist die Fluchtgeschwindigkeit: Wer sie erreicht, entfernt sich von der Erde, ohne weiter anzutreiben. Die dritte von etwa 16,7 km/s braucht man, um vom Start auf der Erde das Sonnensystem zu verlassen. Je höher die Bahn, desto langsamer und länger der Umlauf. Die ISS fliegt in etwa 400 km Höhe. Ein geostationärer Satellit in etwa 36000 km Höhe braucht 24 Stunden und steht über einem Punkt des Äquators.

Beim Swing-by fliegt eine Sonde dicht an einem Planeten vorbei. Das ähnelt einem Ball, den du mit 10 m/s einem Zug mit 20 m/s entgegenwirfst. Im Zug kommt er mit 30 m/s an und prallt mit 30 m/s zurück. Für dich am Bahnsteig ist er 30 + 20 = 50 m/s schnell. Die Sonde gewinnt Energie aus der Bahnbewegung des Planeten, der unmerklich langsamer wird.

Der Polarstern steht fast genau im Norden. Seine Höhe über dem Horizont in Grad ist die geografische Breite: 51° Höhe bedeuten 51° Nord. Mit dem Sextanten misst man die Höhe von Sonne und Sternen. Die Länge bestimmt man aus der Zeit: Die Erde dreht sich in 24 h um 360°, also um 15° je Stunde. Steht die Sonne am Ort am höchsten (dort ist es 12:00 Uhr), und die Uhr nach Greenwichzeit zeigt 14:00 Uhr, liegt der Ort 2 h · 15°/h = 30° westlich von Greenwich.

Bei der Funknavigation senden Funkfeuer Signale, aus denen Schiffe und Flugzeuge Richtung oder Entfernung bestimmen. Funkwellen laufen mit der Lichtgeschwindigkeit $c \approx 300000$ km/s. Aus der Laufzeit $t$ folgt die Entfernung $s = c \cdot t$.

GPS ist ein Satellitennavigationssystem der USA. Ähnliche Systeme sind Galileo (Europa), GLONASS (Russland) und BeiDou (China). Etwa 30 GPS-Satelliten umkreisen die Erde in etwa 20000 km Höhe. Jeder sendet sein Funksignal mit seiner Position und der genauen Zeit seiner Atomuhr. Dein Empfänger misst die Laufzeit und rechnet $s = c \cdot t$ aus. Eine Entfernung legt den Ort auf eine Kugel um den Satelliten fest, drei Kugeln schneiden sich in zwei Punkten, von denen einer sinnvoll ist. Die Uhr im Empfänger geht ungenauer als eine Atomuhr, deshalb braucht man einen vierten Satelliten, um den Uhrfehler mitzurechnen. Die Genauigkeit liegt bei einigen Metern. Das Navigationsgerät berechnet mit einer digitalen Karte die Route. In Tunneln ist der Empfang schlecht.