M6 Wasserbewegung

Thema

Wassersäugetiere bewegen sich auf zwei unterschiedliche Arten fort: durch Gliedmaßenantrieb, wie Otter und Biber, oder durch Ganzkörperwellenantrieb, wie Wale und Robben.

Bei beiden Fortbewegungsarten skaliert der hydrodynamische Widerstand, den das Wasser der Körperbewegung entgegensetzt, mit dem Quadrat der Schwimmgeschwindigkeit. Dieser hydrodynamische Widerstand ist der dominierende Faktor für den Energieaufwand beim Schwimmen und übertrifft alle anderen Faktoren bei Weitem.

Um diesen hydrodynamischen Widerstand zu reduzieren, haben Wale spindelförmige Körper entwickelt – längliche, an beiden Enden spitz zulaufende Körper, die den Wasserwiderstand minimieren. Dank dieser spindelförmigen Gestalt sinkt der Widerstandsbeiwert eines Wals auf sehr niedrige Werte, vergleichbar mit dem eines Fisches – einer der niedrigsten Widerstandsbeiwerte aller sich im Wasser bewegenden Körper.

Der hydrodynamische Widerstand steigt nicht nur quadratisch mit der Geschwindigkeit, sondern auch kubisch mit der Schwimmgeschwindigkeit: Je schneller das Tier schwimmt, desto schneller steigt auch der Energieaufwand für dieselbe Geschwindigkeitssteigerung. Dieser ausgeprägte Zusammenhang führt dazu, dass die optimale Schwimmgeschwindigkeit deutlich niedriger ist als die maximale Geschwindigkeit, die das Tier in einem kurzen Kraftstoß erreichen könnte.

Bei Säugetieren, die sich durch Körperwellen fortbewegen, wie Wale und Robben, wird der Vortrieb primär durch die Schwingung der Schwanzflosse erzeugt. Diese Bewegung wird durch dieselbe Theorie des Flügelschlags beschrieben, die erklärt, wie ein sich bewegender Flügel Vortriebskraft anstelle von bloßem Auftrieb erzeugt.

Die Effizienz, mit der diese Schwingung der Schwanzflosse Muskelkraft in Vortrieb umwandelt, wird durch die Strouhal-Zahl bestimmt. Dieser dimensionslose Parameter vergleicht Frequenz und Amplitude jedes Schwingungszyklus mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Tieres. Wenn die Strouhal-Zahl im Bereich von 0,2 bis 0,4 liegt, erreicht der Froude-Wirkungsgrad des Antriebs seine höchsten Werte zwischen 0,85 und 0,95 und liegt damit sehr nahe am theoretischen Maximum. Tieftauchen stellt diese Meeressäuger vor eine zusätzliche physiologische Herausforderung, die sich vom hydrodynamischen Widerstand unterscheidet: Beim Abtauchen komprimiert der steigende Wasserdruck die Lunge gemäß dem Boyle-Mariotte-Gesetz, dem Gesetz, das die Volumenabnahme eines Gases bei steigendem Umgebungsdruck beschreibt. Um trotz dieser Lungenkompression das Tauchen aufrechtzuerhalten, nutzt das Tier den vor dem Tauchen im Hämoglobin seines Blutes und im Myoglobin seiner Muskeln gespeicherten Sauerstoff, anstatt während des Tauchgangs zu atmen. Zurück zum Energieaufwand beim Schwimmen: Die optimale Schwimmgeschwindigkeit ist diejenige, die den Energieaufwand pro zurückgelegter Strecke minimiert. Diese optimale Geschwindigkeit ergibt sich aus dem Gleichgewicht zweier Kostenfaktoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen entwickeln: Bei niedrigen Geschwindigkeiten überwiegt der Grundumsatz die Transportkosten, da das Tier unabhängig von seiner Schwimmgeschwindigkeit nahezu die gleiche Grundenergie verbraucht. Bei hohen Geschwindigkeiten hingegen dominiert der hydrodynamische Widerstand, der mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit zunimmt. Die Transportkosten erreichen ihr Minimum genau dann, wenn der hydrodynamische Widerstand einem Drittel der gesamten Schwimmkosten entspricht.

Diese optimale Schwimmgeschwindigkeit, bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen Grundumsatz und einem mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit wachsenden hydrodynamischen Widerstand, ist diejenige, die ein Wassersäugetier tatsächlich bei längeren Fortbewegungen einnimmt, sei es durch Gliedmaßen wie Otter und Biber oder durch Wellenbewegungen von Körper und Schwanzflosse wie Wale und Robben. Dieselbe Geschwindigkeit muss das Tier vorübergehend aufgeben, wenn es beim Tieftauchen anstelle der Transportkosten für die horizontale Fortbewegung die Lungenkompression und seine Sauerstoffreserven in Hämoglobin und Myoglobin regulieren muss.

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