Wie der Kolibri seinen Kurs ändert

Mit Computermodellen und Videoaufnahmen entschlüsseln Wissenschaftler das Geheimnis um schnelle Flugmanöver

Kolibri
Kolibri

Chapel Hill (USA) - Mücken und Fliegen können mitten im Flug rasant ihren Kurs ändern. Das Geheimnis um dieses kunstvolle Flugmanöver konnten nun amerikanische Aerodynamiker von der University of North Carolina lüften. Sie analysierten mit Computermodellen und Videoaufnahmen von Insekten, Vögeln und Fledermäusen das komplexe Zusammenspiel aus Flügelschlag, Körperhaltung und Luftströmung. Von ihren neuen Erkenntnissen, die sie in der Zeitschrift "Science" präsentierten, könnten nun die Entwickler von Flugrobotern profitieren.

"Drehmanöver durchlaufen immer zwei Phasen: eine Beschleunigung und ein Abbremsen der Winkelgeschwindigkeit", schreiben Tyson Hedrick und seine Kollegen. Um sich im langsamen Flug um 60 Grad oder mehr zu drehen, variieren Insekten und Vögel zuerst die Frequenz des Flügelschlags oder erzeugen über eine Körperbiegung ein Drehmoment. Doch innerhalb von 200 bis 300 Millisekunden müssen sie die Drehbewegung auch wieder stoppen. Zwar könnten die Flugkünstler dieses Abbremsen der Drehung aktiv durch unterschiedliche Schlagfrequenzen des rechten und linken Flügels erreichen. Aber die Analysen der Aerodynamiker zeigten, dass sie dies nicht tun, sondern ihre Drehbewegung durch unterschiedlich starke Flügelschläge abbremsen.

Bewegt Fruchtfliegen oder Kolibris während einer Kursänderung ihre Flügel nach unten, legen sie in den äußeren Flügel etwas mehr Wucht. Bei der Aufwärtsbewegung dagegen nimmt die Geschwindigkeit des inneren Flügels zu. Obwohl die Frequenz der Flügelschläge auf beiden Seiten gleich bleibt, wirkt dabei ein Drehmoment gegen die Drehrichtung und bremst so die Kursänderung ab.

Auf dieser Grundlage simulierten Hedrick und Kollegen die Flugmanöver für Fruchtfliegen, Fledermäuse oder Kolibris im Computer. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit Videoaufnahmen der Tiere im Flug. Um die Winkelgeschwindigkeit während der Drehbewegung auf die Hälfte zu verringern, brauchten die Tiere zwischen einem und sechs Flügelschlägen. Das hängt allerdings nicht von der Größe der Tiere, sondern von der Verteilung der Körpermasse und Flügelform ab. So brauchten Fruchtfliege und Kolibri beide etwa zwei Flügelschläge für die Halbierung der Winkelgeschwindigkeit, weil sich die Proportionen ihrer Körper gleichen. Eine Fliege mit ausgeprägt großem Kopfbereich muss sechsmal flattern, um den gleichen Bremseffekt zu erzielen, eine Fledermaus dagegen weniger als einen Flügelschlag. Zudem zeigte sich, dass die Flugstabilität mit einer höheren Schlagfrequenz der Flügel verbessert werden konnte.