Fischflossen liefern Vortrieb durch Verwirbelung

Was Fische wirklich vorantreibt, hängt nicht wie bislang gedacht mit der Hinterkante der wedelnden Schwanzflosse zusammen. Vielmehr ist es der Schub eines Wasserwirbels, der vorne an der Flosse entsteht. Das gilt für alle Fische mit klassischen Proportionen, berichten Forscher. Mithilfe von Simulationen konnten sie erstmals nachweisen, dass bei solchen Fischen nicht die dreieckige Form der Schwanzflosse für den größten Vortrieb verantwortlich ist, schreiben sie im Fachblatt „Proceedings of the Royal Society B“. Stattdessen bildet sich ein sogenannter stabiler Vorderkantenwirbel, wie er auch bei den Flügelkanten von Insekten, Kampffliegern oder Mauerseglern für den Auftrieb bei steilen Flugmanövern sorgt. Der nach hinten wegströmende Wirbel verändere die Druckverteilung hinter der Flosse und damit ihre Schubkraft. Seine Wirkung hänge dabei eng mit dem Schwimmtempo der Fische zusammen.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass man die Aufmerksamkeit von der Hinter- zur Vorderkante der Schwanzflosse verlagern muss“, schreiben Iman Borazjani und Mohsen Daghooghi von der State University of New York in Buffalo. Die Forschung zum fischartigen Schwimmen brauche einen Paradigmenwechsel. Die Luft- und Raumfahrtingenieure hatten herausfinden wollen, ob der Vortrieb der Fische aufgrund der dreieckigen Flossenform nicht vergleichbar mit dem mancher Vögel, Insekten und Fledermäuse wäre, die genau genommen durch die Luft „schwimmen“. Die wissenschaftliche Beschreibung liefert sowohl in Wasser als auch in Luft die Strömungsmechanik; die beiden Medien haben lediglich eine unterschiedliche Dichte. Doch bei Fischen war bislang vor allem beachtet worden, welche Strömungsmuster die Schwanzflosse in ihrem Kielwasser erzeugt – vermutlich weil sich die detaillierten Strömungen bei den seitlichen Wellenbewegungen von Fischen schwer messen lassen und es durch das schnelle Wedeln nicht zu einem Strömungsabriss kommt.

Beim Flug hingegen ist der Strömungsabriss einer der entscheidenden Störfälle: Wenn sich über dem Flügel Wirbel bilden, etwa beim Steilflug, kann die Luft nicht mehr ungehindert darüber strömen und der Auftrieb geht verloren. Doch wenn ein Flügel im recht flachen Winkel zum Körper steht, quasi eng anliegt wie der Deltaflügel eines Kampffliegers, so entsteht über der Tragfläche ein stabiler Vorderkantenwirbel, der entlang der ganzen Schräge anhaftet, nach hinten gezwungen wird, sich verstärkt und später geordnet ablöst. Über diesen Wirbel wiederum strömt die Luft wie über einen wulstigen Flügel, sorgt für stärkeren Unterdruck und damit für größeren Auftrieb.

In verschiedenen dreidimensionalen Simulationen konnten Borazjani und Daghooghi nun klar zeigen, dass sich auch an der Schwanzflosse von Fischen solche Vorderkantenwirbel bilden. Dies verändert gleichzeitig die Druckverteilung im Kielwasser und verstärkt die Schubkraft der Flosse. Das gilt für Fische aller Art mit typisch deltaförmigen Schwanzflossen – nicht für Aale und ähnliche, die sich schlängelnd durchs Wasser bewegen. Die Forscher simulierten neben perfekt dreieckigen Schwanzflossen auch symmetrisch geformte Makrelenflossen und unsymmetrische Haiflossen mit längerer Ober- als Unterkante. Selbst an einer unnatürlichen rechteckigen Form als Flosse bildete sich ein stabiler Vorderkantenwirbel. Hochauflösende 3D-Simulationen der Strömungen entlang kompletter Fischkörper samt Schwanzflosse bestätigten die Berechnungen. „Wir schließen daraus, dass die Deltaform für einen stabilen Vorderkantenwirbel nicht nötig ist“, so die Forscher, „doch nichtsdestotrotz erhöht sie vermutlich dessen Stabilität.“

Zusätzlich spielen beim Entstehen der stabilen Wirbel auch die Schwimmgeschwindigkeit und die Schlagfrequenz eine Rolle: Sie gehen mithilfe der Strouhal-Zahl in die Berechnung ein. Die meisten Fische schwimmen in der Natur bei Strouhal-Werten von 0,25, wobei in der Simulation zuverlässig stabile Vorderkantenwirbel entstanden. Doch bei schnellerem Schwanzschlag im Vergleich zum Schwimmtempo, bei Strouhal-Werten von rund 0,6, wurde der Wirbel bereits am Ansatz zu breit, löste sich ab und war damit instabil.