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Bionik

Wirbel an der Haihaut geben den Geschwindigkeitskick

Weißer Hai

Die überragenden Strömungseigenschaften ihrer reibeisengezackten Haut machen Haie zu zu besonders schnellen Schwimmern; und längst inspirierte dies Ingenieure zu erfolgreichen Plagiaten, etwa beim Oberflächendesign von besonders reibungsarmen Schwimmanzügen. Dabei hat man der Natur aber offenbar nicht genau genug kopiert, meinen nun zwei Forscher von der Harvard University: Die Oberfläche der Haihaut funktioniert nur dann wie sie soll, wenn sie auf einem sich flexibel durch das Wasser schlängelnden Körper montiert ist. Dann allerdings sorgt jedes Wasserwirbelchen für geringen Widerstand – und sogar veritablen Vortrieb.

Das wurde Johannes Oeffner und George Lauder erst nach einem überraschenden experimentellen Fehlschlag klar. Die Forscher hatten sich echte Haihaut auf einem Fischmarkt besorgt, um den Beitrag der typischen winzigen Oberflächenstrukturen, der Dentikel, auf den Strömungswiderstand zu analysieren. Als Kontrolle diente Haihaut, von der sie zuvor die Dentikel säuberlich abgeschabt hatten – was zur Verblüffung der Forscher den Strömungswiderstand der Haut auf einem starren angeströmten Träger aber keineswegs erhöhte, sondern – im Gegenteil – sogar senkte. Erhöht das Haihautreibeisen den Widerstand demnach sogar?

Haihaut: verschiedene Schuppenstruktur je nach Lage
Verschiedene Schuppen auf der Haihaut | Die Placoidschuppen (oder Dentikel) auf der Haihaut unterscheiden sich je nach Lage. Vermutlich ist ihre Struktur dabei an die beim Vorwärtschwimmen üblichen Strömungsverläufe ihres jeweiligen Standorts angepasst: So optimiert sich die Verwirbelung bei der Bewegung und sorgt für geringen Reibungsverlust und Vortrieb.

Anders als in diesem Experiment bleibt die echte Hautoberfläche mit ihrer Feinstruktur auf schwimmenden Haien allerdings niemals starr. Die Forscher simulierten daher die natürlichen Bedingungen mit der Hilfe flexibler Haut-Träger. Anhand der Aufnahmen eines schwimmenden Maki programmierten die Forscher zudem Motoren, die den verformbaren Träger wie das natürliche Vorbild rhythmisch schlangenlinienartig durch das Wasser bewegten. Nur an diesen Trägern war nun, so die Messung, der Strömungswiderstand an der künstlichen Haihautfläche tatsächlich dramatisch reduziert.

Aufnahmen mit einer Kamera, die kleine Partikel im Strom und ihre Geschwindigkeitsänderung verfolgte, zeigten zudem einen spannenden weiteren Effekt der Strömungsdynamik an den Oberflächen: Die altbekannten Wasserwirbel an den flexiblen Oberflächen werden an den Ecken der bewegten Ministrukturen zu Wirbelschleppen, die einen von voraus wirkenden Sog erzeugen. Somit wird nicht nur der Widerstand verringert, sondern tatsächlich sogar an jeder Haihautschuppe ein Vortrieb erzeugt. Im Experiment erhöhen diese Effekte die Geschwindigkeit um über 12 Prozent.

© J. Offner, G.V. Lauder / Harvard University
Künstliche, flexible Haihautschuppe
Die flexiblen Schuppen auf der Haihaut erzeugen bei jeder Bewegung eine vorauseilende Verwirbelung: Sie saugt das Tier geradezu gegen die Anströmrichtung vorwärts (im Video links).

Hat man demnach seit Jahren völlig umsonst versucht, den Strömungswiderstand von Oberflächen durch eine möglichste naturgetreu nachgeahmte Haihaut-Beschichtung zu simulieren – ohne dabei die Flexibilität des Untergrundes zu bedenken? Tatsächlich versagte in einem Vergleichsexperiment das im Wettkampfschwimmsport berühmt gewordene, haihautanaloge Textil einer australischen Sportartikelherstellers: Es sorgt nicht für messbar geringeren Widerstand. Offenbar hat der Rekordanzug aber andere Vorteile für die Athleten, spekuliert Lauder – sein extrem enger Schnitt verändere vielleicht den peripheren venösen Blutfluss, oder unterstütze eine leistungsfördernde Haltung der Athleten im Wasser. Ein physikalischer Vortrieb, wie ihn Haie erleben, werde damit jedenfalls allerdings nicht erzielt.

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