D14 Messung aerodynamischer Kräfte

Thema

Die von einem Insektenflügel im Flug erzeugte aerodynamische Kraft lässt sich direkt mit einer hochempfindlichen Kraftwaage messen. Diese besteht aus Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Sensoren und wird direkt unter dem fliegenden Insekt angebracht.

Die größte Herausforderung dieser Messung besteht darin, dass bei kleinen Insekten die vom Flügel erzeugte aerodynamische Kraft in der gleichen Größenordnung liegt wie die durch die Flügelbeschleunigung entstehenden Trägheitskräfte. Daher erfasst die Waage letztlich die Summe beider Kräfte. Um diese zu trennen, ist eine präzise Trägheitskorrektur erforderlich, bevor die gemessene Kraft ausschließlich der Aerodynamik zugeordnet werden kann.

Bevor diese Trägheitskorrektur sinnvoll ist, muss die Kraftwaage selbst mit ihrer Kalibriermatrix kalibriert werden. Diese wandelt die von den Sensoren erzeugten elektrischen Rohsignale in reale Kraft- und Drehmomentwerte über die sechs möglichen Freiheitsgrade der Bewegung um.

Selbst nach der Kalibrierung und Korrektur lässt sich anhand der von der Waage gemessenen Gesamtkraft nicht unterscheiden, welcher Anteil der Kraft auf Auftrieb und welcher auf Luftwiderstand zurückzuführen ist. Um die Kraft in ihre beiden Komponenten zu zerlegen, müssen die relativen Orientierungswinkel zwischen der Flugrichtung des Insekts und der Achse, auf der die Skala misst, bekannt sein. Diese Winkel werden separat aus der dreidimensionalen kinematischen Analyse der Flügelbewegung ermittelt.

Nach der Zerlegung in Auftrieb und Widerstand kann jede dieser beiden Kräfte durch Division durch den dynamischen Luftdruck normalisiert werden. Dies liefert zwei dimensionslose Koeffizienten, die einen Vergleich der Auftriebs- und Widerstandswerte verschiedener Insektenarten und unter unterschiedlichen Flugbedingungen ermöglichen, ohne dass die Größe oder Fluggeschwindigkeit des Insekts den Vergleich verfälscht.

Die Multiplikation der aerodynamischen Kraft des Flügels mit der Flügelgeschwindigkeit zu einem beliebigen Zeitpunkt ergibt die momentane aerodynamische Leistung, also die nutzbare Arbeit, die der Flügel während jedes Flugzyklus am Luftstrom verrichtet. Durch den Vergleich dieser aerodynamischen Leistung mit der gesamten Muskelkraft, die das Insekt für die Bewegung des Flügels aufwendet, kann man schließlich die aeromechanische Effizienz des gesamten Fluges des Insekts bestimmen: welcher Anteil der Energie, die die Muskeln des Insekts aufwenden, letztendlich in nutzbare Arbeit in der Luft umgewandelt wird.

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