M7 Luftlokomotive

Thema

Der aktive Flug, der durch Flügelschläge erreicht wird, ist unter den Säugetieren einzigartig für Fledermäuse. Ihre Flughäute – die Patagien – sind im Vergleich zu den starren Flügeln anderer fliegender Tiere extrem verformbar.

Der aktive Flug mit diesen Flügeln vereint zwei aerodynamische Bedingungen: Der von den Flügeln erzeugte Auftrieb muss exakt dem Gewicht der Fledermaus entsprechen, damit diese im Horizontalflug weder steigt noch sinkt, und der von ihnen erzeugte Schub muss exakt dem Luftwiderstand entsprechen, damit die Geschwindigkeit konstant bleibt.

Die gesamte mechanische Leistung, die die Fledermaus für diesen Horizontalflug aufbringen muss, ist nicht bei allen Geschwindigkeiten gleich: Sie erreicht bei einer bestimmten optimalen Geschwindigkeit ein Minimum und steigt sowohl darunter als auch darüber an, wodurch sie eine U-förmige Kurve beschreibt. Dies liegt daran, dass der direkt auf Körper und Flügel wirkende Luftwiderstand mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit zunimmt, während der zusätzliche Widerstand, der mit der Auftriebserzeugung verbunden ist, mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten überwiegt dieser zweite Widerstand, bei hohen Geschwindigkeiten der erstere.

Der Flug einer Fledermaus findet innerhalb eines spezifischen Strömungsregimes um den Flügel statt: Eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften vergleicht, nimmt im Fledermausflug Werte zwischen zehntausend und hunderttausend an. Innerhalb dieses Bereichs sind die viskosen und Trägheitskräfte vergleichbar, wobei keine der beiden Kräfte deutlich dominiert.

Gerade weil ihre Flügel so verformbar sind, können Fledermäuse die Flügelform mit jedem Flügelschlag aktiv anpassen – etwas, das mit einem herkömmlichen, starren Flügel nicht möglich ist. Diese aktive Anpassung ermöglicht es ihnen, die Wirbel zu nutzen, die sich mit jedem Flügelschlag über der Vorderkante des Flügels bilden. Diese Wirbel erzeugen zusätzlichen Auftrieb und bilden sich auf den starren Flügeln anderer fliegender Tiere nicht.

Auch die Frequenz, mit der eine Fledermaus ihre Flügel schlägt, hat einen optimalen Wert, der mit der natürlichen Resonanzfrequenz ihres Muskel- und Skelettsystems übereinstimmt: Das Schlagen der Flügel nahe dieser Resonanzfrequenz ermöglicht es ihr, mit minimalem Muskelaufwand zu fliegen.

Die eingangs erwähnte Flughaut erfüllt bei anderen Säugetieren, die ihre Flügel nicht aktiv schlagen, eine andere Funktion: Bei Gleithörnchen dient dieselbe Membran als kurzer, breiter Flügel, der es ihnen ermöglicht, ohne Flügelschlag zwischen den Bäumen zu gleiten. Sie werden dabei allein durch den Luftstrom während des Gleitflugs getragen. Wie weit das Tier pro Meter Sinkflug horizontal zurücklegen kann, wird durch das Gleitverhältnis bestimmt: das Verhältnis zwischen dem von der Flughaut erzeugten Auftrieb und dem Luftwiderstand, den diese Flughaut beim Gleiten erzeugt. Gleithörnchen erreichen Gleitverhältnisse von zwei bis fünf Metern horizontaler Vorwärtsbewegung pro Meter Sinkflug, während gleitende Fledermäuse mit ihren aerodynamisch effizienteren Flughäuten Verhältnisse von sechs bis zehn erreichen und somit pro Meter Höhenverlust eine deutlich größere horizontale Distanz zurücklegen.

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