Kinematik und
Aerodynamik des Insektenflugs
am Beispiel der Wanderheuschrecke (Locusta migratoria L.)
Kinematik
des Flügelschlags
Man unterscheidet beim Tierflug Segelflug
und Schlagflug:
(1) Der Segelflug ist ein passiver
Flug, weil die aerodynamischen Kräfte (die Luft- kräfte)
nicht durch den Flügelschlag erzeugt werden. Vielmehr nutzt das
Tier bei dieser Flugart vorhandene Luftströmun- gen, z.B.
Aufwinde einer Thermik.
(2) Der Schlagflug ist ein aktiver
Flug, weil das Tier die zum Flug notwendige Luftströmung
durch einen regelmäßigen Flügelschlag erzeugt. Für
den Flügel- schlag benötigt es Stoffwechselenergie.
Die Wanderheuschrecke hat zwei Flügeln-Typen (Abb. 1):
(a) der schlanke, nahezu formstarre Vorderflügel
(b) der großflächige formveränderliche
Hinterflügel
Abb. 1 Die Wanderheuschrecke ist auf der Bauchseite an einer windschnittig ver- kleideten aerodynamischen Waage befestigt. Das Versuchstier fliegt in der lamina- ren Strömung eines Windkanals. Man schaut von oben auf das Tier.
Im Folgenden werden nur die Bewgungen eines Vorderflügels dargestellt, weil die aerodynamischen Eigenschaften davon wesentlich einfacher zu behandeln sind als die eines Hinterflügels.
Der Flügelschlag
des Vorderflügels der Wanderheuschrecke
hat 3 Rotations-Be- wegungsfreiheitsgrade:
1. Der oszillierende, also schwingende Schlag
(repräsentiert durch die Variable Theta, s.
unten Formeln der harmonischen 3-D-Oszillation
und rechte Abb.). Die Drehachse liegt nahezu parallel zur
Körperlängsachse.
2. Das oszillierende Drehen (repräsentiert durch
die Variable Alpha)
um die Flügellängsachse, wobei die
Flügelnase im Wechsel nach unten gedreht wird, d.i. die
so genannte Pronation, und nach oben, d.i. die so
genannte Supination.
Die Dimensionen Schlagen und Drehen
sind für die Erzeugung der Luftkräfte notwendig.
Deren Wirkung kann verstärkt werden durch
3. das Schwenken (repräsentiert durch
die Variable Phi). Dabei zieht z.B. die
Wanderheuschrecke den Vorderflügel während des Abschlags nach
vorn und beim Aufschlag nach hinten.
Abb. 2 Schema einer fliegenden Wanderheuschrecke. Es sind die Bewegungen des linken Vorderflügels durch 2 Vektoren schematisch dargestellt: Der Flügelspitzen- vektor 'wt' liegt im Flügel und weist vom Gelenk zur Flügelspitze. Der Normalen- vektor 'n' steht senkrecht auf der Flügelfläche und ist im Gelenk verankert. Die rechte Seite von Abb. 2 zeigt isoliert die Vektorbahnen 'wt' und 'n' .
Abb. 1 Flügelbewegungen und Auftrieb bei einem experimentellen Dauerflug. A Überblick über die Heuschrecke B Projektion der Bahn des Normalvektors n (nx, ny, nz) von Vorderflügel (fw) und Hinterflügel (hw) auf die xy-Ebene; Down Ab- schlag, Up Aufschlag, Pro Pronation (Vorderkante geht tiefer), Sup (Vorderkante geht höher) For (vorwärts) Back (rückwärts). D Projektion des Flügelspitzenvek tors (wt) auf die xz-Ebene. lrel relativer Auftrieb (bezogen auf das Körpergewicht des Tieres), speed Fluggeschwindigkeit. Die Tafeln B und D gehören zur Experi- mentalzeit 83 min, die Tafeln C und E gehören zur Experimentalzeit 152 min.
Abb. 3 Die Bewegungen der linken Flügel. Dargestellt sind 8 Proben aus einem mehr- stündigen Flug eines Individuums. Teilbild F entspricht in Abb. 1 den Teilbildern B,D und Teilbild G den Teilbilder C,E. Der relative Auftrieb ist jeweils links oben angege- ben. In Teilbild A war er 59%. In der dargestellten Sequenz steigt zwar der Auftrieb mit abnehmender Drehamplitude des Vorderflügels. Bei der Interpretation möglicher Ursachen ist aber zu bedenken, daß der Anteil der 3 weiteren Flügel nicht berücksich- tigt wird. An diesem Beispiel läßt ermessen, wie schwer es ist, zuverlässige Aussagen über die Wirkungen einzelner Bewegungs- Parameter zu machen.