Fortschritte beim Verständnis des Fliegens von Insekten

Anders als die Aerodynamik von Vögeln – auch bekannt alsFlächenflug– Der Flug der Insekten ist nicht gut verstanden. Forscher der New York University haben überraschende Erkenntnisse zu dieser seit langem bestehenden Frage gewonnen. Sie haben nämlich herausgefunden, dass Kopflastigkeit eine nicht intuitive Hilfe zur Aufrechterhaltung der Stabilität bei schnellen Belastungen bietetSchlagflügelflug. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Februar-Ausgabe 2012 vonPhysische Überprüfungsschreiben.

Starrflügelflug bezieht sich auf einen stationären Flügel, der sich durch ein Medium wie Luft bewegt. Wir alle haben Vögel gesehen, die an dieser Art von Flug beteiligt waren. Der Mechanismus zum Anheben des Flügels ist die Differenz der Luftdrücke über und unter dem Flügel, die durch die Vorwärtsbewegung des Flügels verursacht wird. Starrflügler ist gut bekannt. Tatsächlich nutzt es unsere Luftfahrtindustrie. Dieses Arbeitsverständnis sorgt für über 87.000 Flüge pro Tag, die den Himmel über den Vereinigten Staaten zieren, den Rest der Welt nicht mitgerechnet.

Grundbewegung des Insektenflügels in Bewegung. a) Flügel b) Gelenke c) Dorsoventralmuskeln d) Längsmuskeln. Über Siga bei Wikimedia Commons.

Die überwiegende Mehrheit der Piloten der Natur sind jedoch geflügelte Insekten. Das Verständnis des Fluges von Insekten könnte einen ähnlichen Einfluss auf die Art und Weise haben, wie wir uns von Ort zu Ort bewegen.

In ihrem Papier vom Februar 2012 skizzieren Bin Lui und Kollegen das Experiment, das zu dem kontraintuitiven Ergebnis führte, dass Kopflastigkeit ein Hilfsmittel für den Schlagflügelflug ist.

Zuerst mussten sie einen Modell-„Käfer“ konstruieren, der fliegen kann, indem er mit einer Reihe von Flügeln schlägt – eine große Aufgabe. Lui und seine Mitarbeiter umgingen diese Schwierigkeit, indem sie die Luft anstelle von Flügeln bewegten. Diese Art der Luftströmung, die von einem akustischen Subwoofer erzeugt wird, ahmt das turbulente Verhalten der Luftströmung um Schlagflügel nach, ohne die technisch schwierige Aufgabe zu erfordern, mechanisch präzise Schlagflügel zu erzeugen.

Nachdem diese Schwierigkeit aus dem Weg geräumt war, wurde die Aufgabe, einen „Bug“ zu erstellen, viel einfacher. Das Team entwickelte eine leichte dreieckige Pyramide als Flugkäfer.



Mit freundlicher Genehmigung von Bin Lui et al.

Mit freundlicher Genehmigung von Bin Lui et al.

Mit freundlicher Genehmigung von Bin Lui et al.

Innerhalb der Pyramide positionierten sie auf einem kleinen vertikalen Balken ein Gewicht, das nach oben oder unten verstellt werden konnte, um die Höhe des Massenschwerpunkts zu kontrollieren. Die Anpassung von kopflastig – über zentral ausbalanciert – bis hin zu einem tiefen Schwerpunkt stand im Fokus ihres Experiments.

Um festzustellen, welche Anordnung am stabilsten ist, wurden die Käfer in einen vertikalen Windkanal gestellt, wobei der Subwoofer unten für den periodischen, flügelartigen Auftrieb sorgte. Anhand einer Fotoserie konnten die Experimentatoren die effektive Kraft rekonstruieren, die den Käfer aufrecht hält.

Sie verwendeten ein gemeinsames Werkzeug für Physiker, das Konzept derpotenzielle Energie. Wenn die potentielle Energie als Funktion der Position oder in diesem Fall des Neigungswinkels grafisch dargestellt wird, repräsentiert die Abwärtsneigung des Diagramms die auf die Wanze wirkende Kraft. In diesem Fall ist die Steigung des Diagramms für Winkel zwischen -20 und +20 Grad ungefähr null, was zu keiner Rückstellkraft führt. Sobald der Neigungswinkel jedoch über 20 Grad hinausgeht, steigt die potentielle Energie steil an, was eine starke Rückstellkraft darstellt, die den Käfer in seine aufrechte Position zurückbringt.

Durch die Konstruktion dieser Diagramme der potentiellen Energie für verschiedene Gewichtspositionen fanden sie heraus, dass die kopflastige Anordnung das stabilste Flugmuster für ihren Käfer bot. Lui und sein Team konnten beweisen, dass der Mechanismus für diese größere Stabilität ein Phänomen ist, das als „Wirbelablösung“ bekannt ist. Wenn der Käfer zur Seite kippt, wird ein Luftwirbel von dieser Seite freigesetzt, der den Käfer wieder in eine aufrechte Position bringt. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, dass dieser Prozess offenbar durch einen hohen Massenschwerpunkt unterstützt wird.

Fehler im Flug

Ob sich die Ergebnisse dieses einfachen, faszinierenden Experiments auf realistischere Insektenmodelle übertragen lassen – etwa auf echte Käfer mit echten Flügeln – bleibt abzuwarten. Bin Lui und Kollegen haben jedoch eine wichtige Nuance des Schlagflügelflugs hervorgehoben, nämlich dass ein hoher Schwerpunkt die Ausrichtung des Fliegers tatsächlich stabilisieren kann.

So wie uns ein besseres Verständnis des Starrflüglers dazu führte, die Art und Weise, wie wir reisen, zu revolutionieren, kann man sich die weiteren Auswirkungen der Nutzung der Bewegung von Insekten durch den Himmel nur vorstellen.