E2 Steuerung mit mehreren Flossen

Thema

Der Fisch besitzt ein verteiltes hydrodynamisches Steuerungssystem, bestehend aus mehreren unterschiedlichen Oberflächen – den Brust-, Bauch-, Rücken-, After- und Schwanzflossen –, von denen jede für die Erzeugung einer spezifischen Kraft verantwortlich ist. Im Gegensatz zu den starren Steuerflächen von Flugzeugen sind die Fischflossen flexibel und verformbar. Sie können ihre Geometrie – Fläche, Anstellwinkel und Krümmung – aktiv verändern, indem sie über eine für jede Flosse spezifische Muskulatur verfügen. Dadurch kann der Fisch die auf seinen Körper wirkenden Kräfte in allen sechs Freiheitsgraden präzise steuern: drei translatorischen und drei rotatorischen.

Jede dieser Flossen wirkt als Auftriebsfläche und erzeugt eine Kraft senkrecht zu ihrer Oberfläche (Auftrieb) sowie eine tangentiale Kraft (Widerstand). Beide Kräfte hängen von einem für jede Flosse spezifischen Auftriebs- und Widerstandsbeiwert ab, welche wiederum vom Anstellwinkel, unter dem die Flosse die Strömung schneidet, und der Reynolds-Zahl, bei der diese Flosse arbeitet, abhängen.

Von diesen Flossen sind die Brustflossen hauptsächlich für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts des Fisches in Längs- und Querrichtung sowie für seinen Vortrieb beim langsamen Schwimmen, dem sogenannten Larvenschwimmmodus, verantwortlich.

Die Stabilität des Fisches, die sich aus dem Zusammenwirken aller Flossen ergibt, kann zweierlei Art sein: Statische Stabilität wird erreicht, wenn der durch alle Flossenkräfte erzeugte Druckpunkt exakt mit dem Schwerpunkt des Fisches übereinstimmt. Dynamische Stabilität hingegen entsteht nicht allein durch diese Kräfteverteilung, sondern erfordert deren aktive Aufrechterhaltung durch neuronale Rückkopplung.

Das von jeder Flosse erzeugte Drehmoment ist das Produkt aus der von ihr erzeugten Auftriebskraft und dem Hebelarm, der sie vom Schwerpunkt des Fisches trennt.

Für schnelle Manöver nutzt der Fisch jedoch einen anderen Mechanismus als das oben beschriebene Drehmoment: die Erzeugung kurzzeitiger Wirbel durch den sogenannten Massenzusatzeffekt. Durch abruptes Beschleunigen oder Abbremsen einer Flosse verändert der Fisch den Impuls des umgebenden Wassers und erzeugt so Impulskräfte, die proportional zur Beschleunigung der jeweiligen Flossenoberfläche sind.

Das erwartete Verhalten dieses verteilten hydrodynamischen Steuerungssystems ist, dass beim Schwimmen in gerader Linie mit konstanter Geschwindigkeit die resultierende Kraft aller von den verschiedenen Flossen des Fisches erzeugten Kräfte exakt null ist, sodass keine einzelne Flosse den Fisch von seiner Bahn ablenkt. Bei einem Manöver erzeugt der Fisch jedoch eine gezielte Asymmetrie zwischen den Kräften gegenüberliegender Flossen – beispielsweise zwischen der Brustflosse auf der einen und der auf der anderen Seite – und genau diese Asymmetrie erzeugt die Drehmomente, die für einen Richtungswechsel notwendig sind.

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