E5 Strahlantrieb

Thema

Der Rückstoßantrieb tritt in zwei unterschiedlichen Kontexten auf: dem kontinuierlichen Antrieb der Kopffüßer (die keine Fische sind) und, viel relevanter für die Ichthyologie, der C-förmigen Fluchtreaktion, die vom Mauthner-Neuron vermittelt wird. Bei dieser Fluchtreaktion sammelt der Fisch zunächst elastische Energie, indem er seinen Körper in eine C-Form krümmt und sich dann explosionsartig streckt. Dadurch entsteht ein Strahlimpuls, der ihn in die entgegengesetzte Richtung der auslösenden Bedrohung treibt. Dieser Antriebsmechanismus nutzt zusätzlich den Wasserausstoß aus Mund- und Kiemendeckeln des Fisches als Schubkraft.

Das zentrale physikalische Modell, das diesen Strahlimpuls beschreibt, besagt, dass die erzeugte Schubkraft proportional zur Ausstoßrate des Wassers und dessen Ausstoßgeschwindigkeit relativ zum Fisch selbst ist.

Die Geometrie dieses Strahls – bestehend aus Ausstoßgeschwindigkeit, Impulsdauer und Durchmesser der Austrittsöffnung – bestimmt, ob sich ein optimaler Wirbelring bildet. Nach Gharibs Kriterien tritt dies bei einem Wert nahe vier in dieser geometrischen Kombination auf, wodurch der Impuls pro aufgewendeter Energieeinheit maximiert wird.

Bei Fischen mit Schwimmblase und ausreichend großem Maul sowie Kiemendeckelöffnung kann der Wasserausstoß während des Mauthner-Reflexes Beschleunigungen zwischen 40 und 100 Metern pro Sekunde zum Quadrat in weniger als 30 Millisekunden erzeugen.

Die maximale Fluchtgeschwindigkeit, die der Fisch mit dieser C-förmigen Reaktion erreicht, skaliert mit seiner Körperlänge und der Menge an verfügbarer weißer Muskulatur – derselben schnell zuckenden, ermüdbaren Muskulatur, die im Elektromyographie-Modell dieser Sammlung beschrieben wird und die der Fisch präzise für Sprints und diesen C-förmigen Impuls einsetzt. Die Effizienz des gepulsten Wasserstrahls ist im Allgemeinen geringer als die Effizienz des kontinuierlichen Schwanzwellenantriebs, wie er in den Antriebsmodellen dieser Sammlung beschrieben wird, aber seine Spitzenleistung ist deutlich höher. Dies macht diese C-förmige Reaktion zur optimalen Überlebensstrategie gegen einen Fressfeind, selbst auf Kosten der geringeren Energieeffizienz.

Das zu erwartende Verhalten dieses Jetantriebs besteht darin, dass die Distanz, die der Fisch in den ersten 100 Millisekunden zurücklegen kann, der stärkste Indikator für sein Überleben gegenüber dem Fressfeind ist, und dass die Mauthner-Reaktion, die diesen gesamten Mechanismus auslöst, eine feste Latenz zwischen zwei und sechs Millisekunden aufweist, die durch die Nervenleitgeschwindigkeit des Mauthner-Riesenaxons bestimmt wird, also der gleichen Art der Nervenleitung, die, wie im thermischen Kollapsmodell dieser Sammlung beschrieben, durch einen Temperaturschock beeinträchtigt werden kann.

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