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Aerodynamik: Fledermäuse im Auftrieb

Der Traum von Fliegen ist uralt. Schon Leonardo da Vinci zeichnete Konstruktionspläne für Flügel nach dem Vorbild der Vogelschwinge, um sich damit in die Lüfte zu erheben. Aber erst die moderne Technik entschlüsselt langsam die kleinen aber feinen Tricks, ohne die ein Flatterer auf der Erde bleibt.
Aerodynamik des FledermausflügelsLaden...
Manchmal – in den Sekunden nach dem Aufwachen – weiß ich, dass ich fliegen kann. Ich bin überzeugt, dass ich nur die Augen öffnen und die Arme ausbreiten muss, um mich grazil wie eine Elfe vom Boden zu lösen und über Wald und Feld schweben. In seltenen Fällen erscheint es mir erforderlich, nicht nur die Arme zu spreizen, sondern auch zu flattern. Das kommt der physikalischen Realität schon näher, klappt im wachen Zustand aber immer noch nicht.

Die Evolution hat solch physikalische Hemmnisse gleich mehrfach überwunden und so können verschiedenste Tierarten dem Anschauungsunterricht dienen. Besonders am Flug der Vögel ist bereits ausgiebig geforscht worden. Falken, Schwalben, Rotkehlchen und viele andere sind schon durch Windkanäle gejagt und haben geholfen, die Bewegungen ihrer Flügel mit Hochgeschwindigkeitskameras bis ins kleinste Detail zu belichten.

Verräterische Wirbel

Verwirbelungen der Luft verrieten, wie die verschiedenen Komponenten des Flügelschlags aerodynamisch wirken: Der abwärts gerichtete Schlag des Flügels erzeugt – stark verkürzt – Auftrieb und Schub. Besonderen Anteil daran haben die Schwungfedern. Würde der Aufwärtsschlag nun ebensolchen Abtrieb erzeugen, bliebe das Rotkehlchen am Boden. Daher drehen Vögel ihre Schwungfedern, wenn sie ihre Flügel nach oben ziehen. Wie eine Jalousie je nach Stellung Sonnenlicht in ein Zimmer fallen lässt oder eben nicht, kippen Vögel ihre Federn, um die Flügel mehr oder weniger luftdurchlässig zu machen und damit insgesamt mehr Auf- als Abtrieb zu erzeugen.

Fledermaus im FlugLaden...
Fledermaus im Flug | Ein Spitzmaus-Langzüngler (Glossophaga soricina) im Windkanal der Universität Lund
Wer fliegen will, braucht demnach Federn – Fledermäuse können also nicht fliegen. Oder sie haben das Problem anders gelöst, denn ihre Flughäute werden nicht von einem Moment zum nächsten luftdurchlässig.

Fliegen ohne Federn

Zwar können Fledermäuse und Flughunde ihre Flügel nach Belieben einklappen, aber im Gegensatz zum Brustschwimmer – der Auf- und Vortrieb erzeugt, indem er die Arme ausgestreckt nach hinten zieht, um sie dann eingezogen und eng am Körper wieder nach vorn zu führen – bleiben die Flügel der Fledertiere auch in der aufwärts gerichteten Bewegung weit gehend aufgespannt. Der Trick muss also noch ein anderer sein, dachte sich Flugforscher Anders Hedenström von der Universität Lund machte sich zusammen mit schwedischen, amerikanischen und deutschen Kollegen daran, den Kniff zu ergründen.

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Fledermausfütterung | Um Honig zu schlecken, mussten die Fledermäuse im Gegenwind vor dem Nahrungsspender fliegen. Währenddessen machten die Wissenschaftler Bilder von den erzeugten Wirbeln, indem sie mit einem fächerförmig aufgeweiteten Laserstrahl jeweils eine Nebelebene belichteten.
Dazu trainierten die Wissenschaftler zwei Spitzmaus-Langzüngler (Glossophaga soricina), sich von Honigwasser aus einem Spender zu ernähren. Wollten sich die etwa zwanzig Gramm wiegenden Fledermäuse am Honig gütlich tun, mussten sie in den leichten Nebel eines Windkanals fliegen, wo sie bei Windgeschwindigkeiten von 1,5 bis 7 Stundenkilometern je nach Hungergefühl 2 bis 20 Sekunden lang ruhig vor dem Träufler schwirrten, um den Nektarersatz zu schlecken. Die Wirbelschleppe – äquivalent zu den Wirbeln, die eine Fledermaus im freien Flug mit 1,5 bis 7 Kilometern pro Stunde erzeugt – versorgte die Forscher mit den nötigen Informationen.

Fledermaus und ihre WirbelLaden...
Fledermaus und ihre Wirbel | Hier haben Hedenström und seine Mitarbeiter das Bild einer der beiden Fledermäuse mit den von ihr erzeugten Wirbeln unterlegt. Im Gegensatz zu Vögeln, wo sich die Strömungen beider Schwingen zu einer einzigen Wirbelschleppe vereinigen, erzeugt jeder Flügel der Fledermaus seine eigene Luftschraube.
Luftströmungen verraten viel über den Flügelschlag, denn die Kraft, welche die Verwirbelungen antreibt, ist gleich der, die den Flatternden in der Luft hält. Und so fanden Hedenström und seine Kollegen heraus, dass Fledermäuse – wie andere Forscher schon auf Grund genauer Beobachtungen der Bewegungsabläufe vermutet hatten – Abtrieb verminderten, indem sie beim aufwärtigen Flügelschlag die Schwinge zugleich kippten und nach hinten warfen. Bei geringen Geschwindigkeiten, also wenn der Flügel beim Zurückschnellen die Reisegeschwindigkeit überschritt, erzeugten die kleinen Fledertiere mit ihrer Spannweite von knapp dreißig Zentimetern sogar zusätzlichen Auftrieb.

Auftrieb für Maschinen

Was die Natur gleich auf mehreren sehr unterschiedlichen Wegen perfektioniert hat – die aktive individuelle Flugfähigkeit in Miniatur –, fällt Ingenieuren nach wie vor schwer. Daher hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse die Entwicklung kleinster flatternder Flugmaschinen, denen es bislang meist an Auftrieb fehlt, voran bringen werden.

Mich persönlich bringen diese Erkenntnisse nicht weiter, wenn ich des Morgens desillusioniert feststellen muss, dass ich doch wieder nicht zum König der Lüfte geworden bin. Aber beim Wassertreten, da werde ich den den Kniff mit den vor- und zurückkippenden Handflächen demnächst mal ausprobieren.
11.05.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 11.05.2007

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