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Lexikon der Biologie: Flugmechanik

Flugmechanik, beschreibt die kinematischen und aerodynamischen Vorgänge beim Flug. 1) Flugmechanik der Vögel ( vgl. Abb. 1 ): Die einfachsten Verhältnisse findet man beim Gleitflug eines von höherem zu niedrigerem Punkt schwebenden Tieres, wobei nur potentielle in kinetische Energie umgewandelt wird. Vortreibende Kraft ist eine in Richtung der Flugbahn weisende Komponente (K1) der Schwerkraft (G). Durch den Fahrtwind wird an den Flügeln (Vogelflügel) ein Auftrieb (A) und eine Widerstandskraft (R) erzeugt mit der resultierenden Luftkraft (L), die im Kräftegleichgewicht mit G den Vogel auf eine geradlinig abwärts weisende Bahn bringen. Der Segelflug ist ein Spezialfall des Gleitflugs, bei dem sich der Vogel in aufwärts strömenden Luftmassen bewegt. Gleicht der Aufwind den Höhenverlust durch das Gleiten gerade aus, so segelt der Vogel horizontal dahin, überwiegt er, kann sogar ein Höhengewinn erzielt werden. – Beim freien Flug oder Schlagflug müssen Auftriebs- und Vortriebskräfte vom Vogel selbst erzeugt werden. Der Flügelschlag umschließt eine von hinten oben nach vorn unten weisende Ellipse. Dabei führen die Handschwingen eine größere Bahn aus als der Arm. Zugleich ändert sich die Stellung des Flügels. Beim Abschlag weist die Vorderkante nach schräg unten, beim Aufschlag nach schräg oben. Die Kräfteverteilung gestaltet sich etwas komplexer als beim Gleitflug. Durch den Flügelschlag wird ein zur Schlagrichtung entgegengesetzter Schlagwind (Sw) erzeugt. Gemeinsam mit dem Fahrtwind (Fw) ergibt er den kräftewirksamen Anblaswind (Aw). Durch die geänderte Flügelstellung bei Auf- und Abschlag kann dieser so angreifen, daß in beiden Schlagphasen Auftrieb (A) erzeugt wird. Vortrieb (V) entsteht nur beim Abschlag, der den Luftmassen einen nach hinten gerichteten Impuls verleiht. Der Aufschlag ruft einen deutlich kleineren Rücktrieb (Rt) hervor. Die Massenträgheit des Vogels ermöglicht dennoch einen gleichmäßigen Flug. Eine besondere Form des Schlagflugs ist der Bogenflug. – Der Rüttelflug (Flug auf der Stelle) unterliegt bei Gegenwind derselben Flugmechanik wie der Schlagflug. Die Vortriebskomponente wird jedoch so gehalten, daß sie durch den Gegenwind gerade ausgeglichen wird (Beispiel: rüttelnder Falke). Beim Rüttelflug in unbewegter Luft muß der Auftrieb allein durch den Flügelschlag bewirkt werden, da der entsprechend wirksame Fahrtwind fehlt (Beispiel: Kolibri). Der Vogelkörper nimmt eine fast vertikale Haltung ein. Seine weit gespreizten Flügel weisen beim Abschlag mit der Unterseite nach vorn unten, beim Aufschlag mit der Oberseite nach hinten unten. Sie wirken wie eine Luftschraube („Hubschrauber“), wobei die durch Auf- und Abschlag hervorgerufenen rücktreibenden Kräfte sich gegenseitig aufheben und so einen Flug auf der Stelle ermöglichen. – Die Richtungssteuerung des Flugs ist in allen genannten Fällen durch eine Verschiebung der Kräfterelation (z.B. durch Änderung des Flugwinkels, des Widerstands oder der Flügelgröße) möglich. – 2) Die Flugmechanik der Insekten ( vgl. Abb. 2 ), von denen rund 98% geflügelt sind (Fluginsekten), unterliegt den gleichen physikalischen Prinzipien. Die Flugleistung von Insekten und ihr Manövriervermögen sind einzigartig. Sie sind zu sehr schnellen Ausweichmanövern befähigt, können bewegungslos in der Luft stehen, rückwärts starten oder rücklings auf einem Blatt oder an der Decke landen ( vgl. Abb. 2 ). Eine große Bedeutung kommt nun aber der sog. Reynolds-Zahl (Biomechanik) zu, die den Einfluß der Zähigkeit (Viskosität) des Mediums in bezug auf Geschwindigkeit und Körpergröße des fliegenden Tieres beschreibt. Während für die relativ großen Vögel die Zähigkeit der Luft kaum eine Rolle spielt, nimmt ihre Bedeutung mit abnehmender Größe bei Insekten stark zu. Kleinste Insekten „schwimmen“ daher gleichsam in der für sie sehr zähen Luft. Für sie gilt eine entsprechend andere Bewegungsmechanik. Ein gut untersuchtes Beispiel ist die Flugmechanik der (zweiflügeligen) Fliegen und hier besonders der Taufliege sowie der Stubenfliege. Im Gegensatz zum Vogelflug erzeugen Fliegen durch starke Verwindung der Flügel (Insektenfügel) beim Auf- und Abschlag einen Vortrieb. Die Vortriebskomponente des Aufschlags überwiegt sogar. Detaillierte Untersuchungen der Flugmechanik von Insekten ergaben in den letzten Jahren ein zunehmend komplexes Bild. Die Flügelschlagbewegung eines Insekts besteht im wesentlichen aus 4 Bewegungsphasen ( vgl. Abb. 3 ): 2 Translationsphasen (Auf- und Abschlag), wobei sich die Flügel mit einem hohen Anstellwinkel zwischen 35° und 45° bewegen, und 2 Rotationsphasen, in denen die Flügel extrem schnell (bis zu 100.000°/s) um ihre Längsachse gedreht werden (Pronation = Flügeloberseite wird nach oben gedreht; Supination = Flügeloberseite wird nach unten gedreht). Durch Untersuchungen an künstlichen Flugrobotern konnten die komplizierten Bewegungsabläufe der Insektenflügel noch genauer analysiert werden und die für Insekten typische Erzeugung großer aerodynamischer Kräfte besser verstanden werden. Es wurden hierbei 3 zusätzliche auftriebsverstärkende Mechanismen entdeckt, die für die instationäre Flugkrafterzeugung der Insekten von großer Bedeutung sind. Bei diesen Mechanismen handelt es sich um 1) den „verzögerten Strömungsabriß“ (delayed stall), 2) den „durch Flügelrotation erzeugten Auftrieb“ (Magnus-Effekt) und 3) das „Energie-Recycling“ (wake capture). Zum verzögerten Strömungsabriß kommt es in der Translationsphase dadurch, daß sich bei Flügeln, die mit einem hohen Anstellwinkel durch die Luft bewegt werden, an der Flügelvorderkante eine stabile Wirbelstruktur entwickelt, die kurzzeitig eine auftriebsverstärkende Zirkulation erzeugt. Der durch Flügelrotation erzeugte Auftrieb erklärt die Auftriebsspitzen, die mit der Flügeldrehung am Ende jedes Auf- und Abschlags zusammenfallen. Dieser zusätzliche Auftrieb trägt bei der Taufliege (Drosophila melanogaster) 35% zur Gesamtflugkraft bei und wird durch die Flügelrotation hervorgerufen (Magnus-Effekt). Hierbei erfolgt die Flügeldrehung, bevor sich die Schlagrichtung des Flügels ändert, wodurch der nächste Halbschlag mit einem günstigen Anstellwinkel begonnen wird. Dabei dreht sich die Flügelvorderkante entgegen der Translations-Bewegungsrichtung (= backspin), wodurch eine zusätzlich positive Auftriebskraft generiert wird. Das Prinzip des Energie-Recyclings kann die zusätzlichen Auftriebsspitzen erklären, die unmittelbar, nachdem der Flügel seine Schlagrichtung umgekehrt hat, auftreten. Hierbei profitieren die Flügel von der im vorherigen Halbschlag erzeugten Strömung (Einfangen der Strömung = wake capture), die zum zusätzlichen Energiegewinn genutzt wird. Wobei auch hier für die Erzeugung zusätzlichen Auftriebs entscheidend ist, daß der Insektenflügel durch eine frühe Drehung einen positiven, für den folgenden Auf- oder Abschlag günstigen Anstellwinkel zeigt. Durch Energie-Recycling wird der Wirkungsgrad, mit dem flatternde Insektenflügel Flugkräfte erzeugen, deutlich verbessert, was wegen des sehr niedrigen Gesamtwirkungsgrads der Flugkrafterzeugung bei Insekten von großer evolutionärer Bedeutung ist. Biomechanik, Bionik.

M.St./T.Sp.

Lit.: Dalton, S.: Borne on the wind. New York 1997. Hoppe, W., Lohmann, W., Markl, H., Ziegler, H.: Biophysik. Berlin 21982. Lehmann, F.-O.: Flattern für Flugkräfte. Naturwissenschaftliche Rundschau 53/5: 223-230. Nachtigall, W.: Warum die Vögel fliegen. Hamburg 1985. Nachtigall, W. (ed.): Bird flight – Vogelflug – BIONA-report 3. Stuttgart 1985; Bat flight – Fledermausflug – BIONA-report 5. Stuttgart 1986; The flying honeybee – Die fliegende Honigbiene – BIONA-report 6. Stuttgart 1988. Vogel, S.: Life in moving fluids. Princeton 21994. Wisser, A., Bilo, D., Kesel, A., Möhl, B. (eds.): Lokomotion in Fluiden – BIONA-report 11. Stuttgart 1997.



Flugmechanik

Abb. 1:
1 Gleitflug:
a Schema eines Vogels im Gleitflug auf einer Gleitbahn, die um den Winkel α von der Horizontalen abweicht;
b Wirkungsschema der Kräfte.
2 Freier Flug (Schlagflug):
a Flügelstellung vor Beginn des Abschlags, b des Aufschlags, Schemazeichnungen der Schlagrichtungen (gestrichelte Pfeile) und des Anstellwinkels des Flügels; c und e Hauptrichtungen der erzeugten Luftströmungen (bei Ab- bzw. Aufschlag), d und f bei Ab- bzw. Aufschlag wirksame Kräfte (Kräfteparallelogramme).
3 Rüttelflug (Kolibri):
a bei Beginn der Abschlagsphase, b zu Beginn des Aufschlags (jeweils mit Kräfteparallelogramm).
4 Flug der Fliege:
a schematisierte Darstellung der Flügelschlagbewegung, rechts in bezug auf das Tier, links in bezug auf einen ortsfesten Punkt; der Anstellwinkel der Flügel bei Auf- und Abschlag ist in die Raumbahn als dünner Balken eingetragen; b Kräfteparallelogramm beim Ab-, c beim Aufschlag.
A Auftrieb, Aw Anblaswind, Fw Fahrtwind, G Schwerkraft, K1 in Richtung der Gleitbahn weisende Komponente der Schwerkraft, K2 rückwirkende Komponente von G, L Luftkraft, R Widerstand, Rt Rücktrieb, Sw Schlagwind, V Vortrieb.



Flugmechanik

Abb. 2:
Flügeltorsion beim Flug großer Insekten:
a Ausweichmanöver des Eulenfalters (Lampra fimbriata), b Rückwärtsstart der Raupenfliege (Echinomya grossa), c Flugstart der Wüstenheuschrecke (Schistocerca gregaria).



Flugmechanik

Abb. 3: Biomechanik der Flügelbewegung der Taufliege (Drosophila melanogaster).
Die aerodynamischen Auftriebskräfte setzen sich aus Kräften zusammen, die während der Aufwärtsbewegung und der Abwärtsbewegung der Flügel sowie der Flügeldrehung von der Fliege erzeugt werden. Abb. a verdeutlicht die Bewegungsphasen der Flügel: Au Aufschlag, Pr Rotation (Pronation), Ab Abschlag, Su Rotation (Supination). Das schwarze Dreieck an den als schwarze Balken eingezeichneten Flügelquerschnitten markiert die Oberseite der Flügelvorderkante. In den Diagrammen b sind die während zweier Flügelschlagphasen generierten Auftriebskräfte dargestellt. Die graue Fläche im unteren Diagramm verdeutlicht die Auftriebsverstärkung durch Flügeldrehung (Magnus-Effekt), die schwarze Fläche die Auftriebsverstärkung durch Energy-Recycling („wake capture“). – Nach F.-O. Lehmann.

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