Bei von Menschen gebauten Flugzeugen sind Turbulenzen ein altes und verzwicktes Problem. Einer der ersten dokumentierten menschlichen Flugversuche eines Mönchs namens Eilmer aus dem 11. Jahrhundert endete, als seine vogelähnlichen Flügel aus Holz und Leder dem nicht standhalten konnten, was der Chronist „die Heftigkeit des Windes und die Wirbel der Luft“ nennt. Tausend Jahre später ist die Luft- und Raumfahrtindustrie weiterhin von demselben Phänomen betroffen, das die Kosten für verlorenen Treibstoff, verlorene Mittagessen, verlorene Missionen und sogar verlorene Leben in die Höhe treibt.

Kurioserweise scheinen die Vögel, die Eilmer inspiriert haben, mit Turbulenzen ganz gut zurechtzukommen. Tatsächlich nutzen einige Vögel die Energie instabiler Luftströmungen, um sich in der Luft zu halten.

In einer Reihe von Vorträgen im letzten Monat Jahrestagung der Abteilung für Fluiddynamik der American Physical Society, bot eine internationale Reihe von Rednern Hinweise darauf, wie Vögel mit Flugbedingungen umgehen, die moderne Flugzeuge herausfordern – ganz zu schweigen von den unerschrockenen mittelalterlichen Mönchen. Unter den Rednern war Cyprien de Sepibus, ein Doktorand an der EPFL in der Schweiz, der Pelikanflug studiert. Man sieht Pelikane oft knapp über der Wasseroberfläche gleiten, und Forscher haben lange angenommen, dass sie sich ein bekanntes Phänomen namens Bodeneffekt zunutze machen müssen, um die Energie zu reduzieren, die sie benötigen, um in der Luft zu bleiben.

Das Problem bei dieser Annahme sei, erklärte Sepibus, dass Pelikane, wenn sie sich dem Wasser nähern, ihre Flügelspitzen nach unten drehen (siehe Foto oben). Diese Änderung zwingt den Flügel in eine ausgeprägte Wölbung, so dass der Großteil davon zu weit weg ist, als dass der Bodeneffekt eintreten könnte. Aber wenn Pelikane den Bodeneffekt nicht ausnutzen, warum machen sie sich dann die Mühe, ihre Flügelspitzen neu zu positionieren? „Es muss einen Grund haben“, sagte Sepibus.

Um herauszufinden, was dieser Grund ist, griffen Sepibus und Kollegen auf ein bewährtes Werkzeug der Fluiddynamikforschung zurück: einen Windkanal. Nachdem sie mehrere Flügelformen im Tunnel getestet hatten, stellten sie fest, dass eine geneigte (anedrische) Form den größten Auftrieb bietet, wenn sie auf einer bodensimulierenden festen Platte montiert wird. Dieses Ergebnis sei aufschlussreich, sagte Sepibus, aber auch begrenzt, da der Aufbau nicht alle möglichen Wechselwirkungen zwischen dem Flügel und der Wasseroberfläche erfasst. Er und sein Vorgesetzter Flavio Noca führen deshalb Folgeexperimente durch, bei denen sie Modellflügel über die Oberfläche eines langen, schmalen Wasserbeckens ziehen. Ihre vorläufigen Beobachtungen deuten darauf hin, dass verschiedene Flügeltypen die Wasseroberfläche auf unterschiedliche Weise verformen, was darauf hindeutet, dass Pelikane möglicherweise kompliziertere Effekte ausnutzen.

Rotschwanzbussarde kommen problemlos mit Turbulenzen zurecht …

Der Schlepptank von Sepibus war nicht die einzige innovative experimentelle Technik, die in der Sitzung gezeigt wurde. Um zu untersuchen, wie Tauben beim Landen die Neigung ihres Schwanzes verändern, Ariane Gayout und ihre Kollegen von der Universität Groningen, Niederlande, bauten einen „Biohybrid“-Schwanz aus echten Taubenfedern und steckten ihn in einen Windkanal. Um zu untersuchen, wie Luft im Flug um Fledermausflügel strömt, Chintan Panigrahi und Kollegen an der Johns Hopkins University, USA, verwendeten eine ähnliche Technik mit einem echten, sezierten Fledermausflügel (von einer Fledermaus, die eines natürlichen Todes starb, wie er schnell bemerkte).

Der Hauptpreis für experimentellen Realismus ging jedoch an Forscher, die sich mit Greifvögeln befassen. Anstatt sich auf Modellvögel oder Teile echter Vögel zu konzentrieren, Vrishank Raghav von der Auburn University überredete einen echten Rotschwanzbussard namens Petey, über eine Reihe nach oben gerichteter Fächer zu fliegen. Dieses Szenario ist wichtig, da Schlagflügeldrohnen mit dieser Art von Turbulenzen nur sehr schlecht zurechtkommen; In seinem Vortrag zeigte Raghav ein Video von einem, der bereits nach wenigen Sekunden erbärmlich abstürzte. Petey meisterte den plötzlichen Aufwind jedoch souverän. „Der Vogel fliegt hindurch, als wäre nichts passiert“, erklärte Raghav.

Basierend auf Daten von vier Hochgeschwindigkeitskameras, die während jedes Testflugs zehn Punkte auf Petey verfolgten, glauben Raghav und Kollegen, dass der Vogel die Böen in erster Linie durch die Flügelneigung abschwächt. Allerdings kann ihr Flugdynamikmodell Peteys Flugbahn bei hohen „Böenverhältnissen“ (d. h. wenn die Windgeschwindigkeit viel höher ist als die Fluggeschwindigkeit des Vogels) immer noch nicht vorhersagen.

Die Arbeit mit einem echten lebenden Tier bringt sowohl Herausforderungen als auch Vorteile mit sich. „In diesen Experimenten steckt viel Entropie“, sagte Raghav Welt der Physik. Da Petey nur fliegen würde, wenn man ihnen etwas zu essen gäbe, konnten die Forscher nur sechs Testflüge pro Tag durchführen. An manchen Tagen wurde alles eingerichtet und kalibriert, doch Petey kam zu dem Schluss, dass er kein Interesse hatte. Schlimmer noch, Petey entwickelte eine beunruhigende Fähigkeit, vorherzusagen, wann er mit einem hohen Böenverhältnis konfrontiert sein würde, obwohl das Team sich nach besten Kräften bemühte, die Lüftergeschwindigkeiten zufällig festzulegen. „Wir glauben, dass der Vogel gelernt hat“, sagte Raghav reumütig.

…und Steinadler nutzen es aus

Ein abschließender Vortrag der Serie befasste sich noch weiter mit dem realen Vogelflug. Um zu verstehen, wie Vögel in freier Wildbahn mit Turbulenzen umgehen, Greg Bewley und Kollegen von der Cornell University in den USA befestigten GPS-fähige Beschleunigungsmesser am Rücken von sechs Steinadlern und sammelten Daten über ihren natürlichen Flug.

Basierend auf den übermittelten Beschleunigungsmesserdaten erstellten Bewley und sein Team eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Unterschiede in den Vertikalbeschleunigungen der Adler. Als sie diese Daten mit den GPS-bestimmten Standorten und Wetteraufzeichnungen der Vögel abglichen, fanden sie lange „Schwänze“ in der Wahrscheinlichkeitsverteilung, die damit übereinstimmen, dass die Adler starke intermittierende Aufwärtsböen verstärkten, anstatt sie zu unterdrücken. Obwohl Bewley behauptete, dass ihnen das gehört erster Beweis Er meinte, dass die Tatsache, dass Vögel Turbulenzen ausnutzten, keine völlige Überraschung sei. „Diese [Turbulenzen] sind etwas, für das sich diese Tiere entwickelt haben“, sagte er dem Publikum.

Leider erlaubte die Art der Studie Bewley und Kollegen nicht, herauszufinden, wie die Adler dies tun. („Wir haben keine Möglichkeit, zwischen den verschiedenen Verhaltensweisen des Vogels zu unterscheiden“, bemerkte er.) Allerdings gehen sie davon aus, dass die Adler auf Aufwinde nach unten drücken und die Abwinde durch ihre Federn ablassen – eine dynamische und asymmetrische Reaktion, die das bedeutet Von Menschen gebaute Flugzeuge können dies noch nicht nachahmen. Vielleicht hat es Eilmer, der Mönch, gar nicht so schlecht gemacht.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/through-turbulent-skies-how-fluid-dynamics-experts-are-uncovering-the-secrets-of-bird-flight/