E13 Effizienz

Thema

Dieses Modul ist der Energiesynthesepunkt des gesamten Systems: Es integriert die durch die Aerodynamik des Tragflügels bedingte Widerstandspolarität, die Flügelgeometrie – ihre Fläche und ihr Streckungsverhältnis –, das Gewicht des Vogels und die durch die Strömungsbedingungen vorgegebene Luftdichte, um die vom Vogel benötigte mechanische Leistungskurve in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit zu erzeugen.

Diese Leistungskurve hat eine U-Form. Innerhalb dieser U-Form gibt es zwei besonders wichtige charakteristische Geschwindigkeiten: die Geschwindigkeit mit minimaler Leistung, bei der der Energieverbrauch pro Zeiteinheit am geringsten ist, und die Geschwindigkeit mit maximaler Reichweite, bei der der Energieverbrauch pro zurückgelegter Strecke am geringsten ist.

Diese U-Form entsteht, weil der Vogel nicht zu langsam fliegen kann: Bei niedrigen Geschwindigkeiten erhöht der induzierte Widerstand die benötigte mechanische Leistung erheblich, da der Flügel zur Erzeugung des gleichen Auftriebs bei niedriger Geschwindigkeit einen viel größeren Anstellwinkel benötigt. Dieser größere Anstellwinkel vervielfacht den induzierten Widerstand, den der Flügel überwinden muss.

Auch kann der Vogel nicht zu schnell fliegen: Bei hohen Geschwindigkeiten ist es der induzierte Widerstand – der Widerstand, der durch den Körper des Vogels selbst in der Luft entsteht und nicht mit dem Auftrieb der Flügel zusammenhängt –, der die benötigte mechanische Leistung erzeugt, da dieser Widerstand quadratisch mit der Fluggeschwindigkeit zunimmt.

Zwischen diesen beiden Extremen, bei denen der induzierte Widerstand bei niedrigen und der induzierte Widerstand bei hohen Geschwindigkeiten dominiert, liegt ein Minimum auf der Leistungskurve: die Geschwindigkeit minimaler Leistung, bei der der Vogel pro Zeiteinheit in der Luft am effizientesten Energie verbraucht.

Etwas schneller als diese Geschwindigkeit minimaler Leistung liegt die Geschwindigkeit maximaler Reichweite, der exakte Punkt auf der Leistungskurve, an dem eine Gerade vom Ursprung die Kurve berührt, ohne sie zu schneiden. Bei dieser Geschwindigkeit maximaler Reichweite verbraucht der Vogel zwar nicht die geringste Energie pro Zeiteinheit, legt aber die größtmögliche Strecke pro verbrauchter Energieeinheit zurück, da bei dieser spezifischen Geschwindigkeit das Verhältnis zwischen zurückgelegter Strecke und verbrauchter Energie auf der gesamten Kurve am günstigsten ist.

Diese U-förmige Leistungskurve mit ihrer minimalen Leistungsgeschwindigkeit und maximalen Reichweitengeschwindigkeit ist die grundlegende Physik der Flugökonomie: Es ist die gleiche Kurve, die abgeschnitten wird, wenn ein beschädigter Brustmuskel die verfügbare Leistungsgrenze reduziert, die gleiche Kurve, die sich nach oben verschiebt, wenn ein größeres Körpergewicht bei jeder Geschwindigkeit mehr Auftrieb erfordert, und die gleiche Kurve, deren maximale Reichweitengeschwindigkeit letztendlich die maximale theoretische Reichweite bestimmt, die ein Vogel aufgrund seiner Fettreserven während einer Zugphase zurücklegen kann.

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