Felix Scharstein und Dr. Wolfgang Send
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Inhalt

1. Historische Anmerkungen

2. Zoologisches Institut der Universität Göttingen

3. Lehrerverbände und Vortragstätigkeit

4. Institut für Strömungsmechanik der TU Braunschweig

5. Naval Postgraduate School, Monterey (Kalifornien, USA)

6. Interessante Arbeiten und Internetseiten


1. Historische Anmerkungen

Göttingen ist schon seit Beginn des letzten, des 20.Jahrhunderts ein Ort, an dem das Fliegen im Allgemeinen, aber auch der Schwingenflug im Besonderen zu Hause gewesen ist. 1907 ist die spätere Aerodynamische Versuchsanstalt gegründet worden unter maßgeblicher Beteiligung von Ludwig Prandtl, der auch ihr erster Direktor wurde. Ein ausführliche Darstellung der Geschichte des heutigen Standortes Göttingen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V. bietet das Archiv des DLR. Dort findet sich auch mehr zu Ludwig Prandtl über sein Leben und sein wissenschaftliches Wirken.

Die ersten künstlichen Vögel wurden von Erich von Holst um 1940 gebaut während seiner Zeit am Zoologischen Institut der Universität Göttingen. Die Anleitungen hierzu hat Karl Herzog später zusammengestellt. Schon zu dieser Zeit haben Wissenschaftler der damaligen Aerodynamischen Versuchsanstalt mit Zoologen der Universität zusammengearbeitet. Zu nennen ist insbesondere Dietrich Küchemann.

Literatur:
Karl Herzog, Anatomie und Flugbiologie der Vögel, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1968
Erich von Holst, Untersuchungen zur Flugbiophysik, I. Messungen zur Aerodynamik kleiner schwingender Flügel, Biol. Zentralblatt Band 63, Heft 7/8, Juli/August 1943, 289-326.
Erich von Holst und Dietrich Küchemann, Biologische und aerodynamische Probleme des Tierfluges, Die Naturwissenschaften 1941, 29. Jahrgang, Heft 24/25, 348-362.
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2. Zoologisches Institut der Universität Göttingen

Seit 1985 ist diese traditionsreiche Zusammenarbeit durch glückliche Umstände wieder belebt worden. Bei einer einwöchigen Veranstaltung der Universität, auf der deren naturwissenschaftliche Institute herausragende Forschungen präsentierten, lernten sich Wolfram Zarnack und Wolfgang Send kennen. Wolfram Zarnack untersuchte mit einer weltweit einzigartigen Methode den Flug von Insekten im Windkanal. Wolfgang Send hatte durch seine Tätigkeit die Kenntnisse von den Kräften, die die Luft auf die Flügel von Flugzeugen - hier der Insekten - ausübt. Dieses Gebiet wird Instationäre Aerodynamik genannt und geht als wissenschaftliche Fragestellung auch auf Ludwig Prandtl zurück. Aus dieser bis heute andauernden Zusammenarbeit ging eine weitgehende Klärung hervor, welche zentralen Mechanismen den Schwingenflug der Vögel und Insekten beherrschen.

Literatur:
Zarnack, W., Flugbiophysik der Wanderheuschrecke Locusta Migratoria L., I. Die Bewegungen der Vorderflügel, J. comp. Physiol., 78 (1972), 356-395.
Zarnack, W., A transducer rcording continuously 3-dimensional rotations of biological objects, J. comp. Physiol., 126 (1978), 161-168.
Send, W., The Mean Power of Forces and Moments in Unsteady Aerodynamics, ZAMM 72 (1992), 113-132.
Send, W., Basic Description of Animal Flight, Proc. 22nd Göttingen Neurobiology Conf. (1994), Vol. II, 273-274.
Send, W., Aerodynamik des Tierflugs, MNU 47/3 (1994), 131-142.

Das Verfahren, das Prof. Zarnack einsetzt, zeichnet sich durch Verwendung winziger elektrischer Spulen (1 mm Durchmesser, 80 Windungen) in einem elektromagnetischen Feld aus. Mehrere Spulen sind auf den Flügeln des Tieres mit Wachs festgeklebt und zeigen in verschiedene Richtungen. Das Insekt sitzt, wiederum mit Wachs fixiert, auf einer Waage und fliegt, sobald ihm der Wind um die Fühler weht. Wanderheuschrecken sind sehr "kooperationsfreudig", denn Fliegen ist ihr Lebensinhalt.

In Wolfram Zarnacks Labor:
Heuschrecke wird prepariert: locust_prepared.mov (2.0 MByte)
Heuschrecke im Windkanal: locust_flying.mov (2.1MByte)
Kurse bei Wolfram Zarnack an der Universität Göttingen.

Wenn das Tier fliegt, werden in den Spulen zeitlich veränderliche elektrische Spannungen induziert. Die Spannungen werden aufgezeichnet und ausgewertet. Eine Eichung und Umrechnung der Signale liefert die instationäre Kinematik des Insektenflügels. Es lassen sich drei Hauptbewegungen feststellen: Schlagen, Drehen und Schwenken um die Flügelwurzel (siehe Grafik) und natürlich die Vorwärtsbewegung (Translation) als vierter Freiheitsgrad der Bewegung. Diese periodischen Bewegungen haben eine einheitliche, sehr konstante Frequenz und einen typischen zeitlichen Bezug zueinander, die sogenannte Phasenlage.
Amplituden und Phasenlagen zusammen mit der Frequenz und der Fluggeschwindigkeit der Heuschrecke lassen eine theoretische Deutung zu. Im einfachsten Fall eines als starr angenommenen Flügels sind dies 10 Parameter, die man für einen Vergleich mit der Theorie benötigt (siehe Tabelle). Drei stationäre Werte für die drei Freiheitsgrade, ferner die drei Amplituden, zwei Phasenlagen relativ zur Bezugsbewegung Drehen, sowie Frequenz und Geschwindigkeit. Tatsächlich lassen sich alle diese Größen aus den Messungen ableiten. Bedenkt man, dass eine Heuschrecke insgesamt vier Flügel hat, die auch keineswegs als starr anzusehen sind, dann wird die Schwierigkeit deutlich, die Bewegungen der Tiere zu untersuchen und zu deuten.

Das nachfolgende Diagramm zeigt, welche Wege Send und Zarnack bei der Deutung der zentralen Mechanismen des Tierflugs gehen. Das Diagramm stellt eine von vielen Möglichkeiten dar, die physikalischen Merkmale des Tierflugs zu analysieren und Experiment und Theorie miteinander zu vergleichen. Hier werden die Leistungen verglichen und eingeordnet, die im Mittel über eine Periode der Flügelbewegung aufgebracht werden. Das Fliegen bei den Tieren beruht auf der Fähigkeit, mit der Flügelbewegung Schubkraft erzeugen zu können. Kraft x Geschwindigkeit ergibt eine Leistung. Bezieht man die Leistungen auf die Flügelfläche und auf die kinetische Energie der angekommenden Luftpartikel pro Volumeneinheit, den sogenannten Staudruck, dann erhält man dimensionslose Leistungsbeiwerte. Diese Beiwerte erlauben eine Interpretation des Leistungsaustausches, der zwischen den einzelnen Freiheitsgraden der Bewegung passiert.

Das untere linke Bild enthält die Leistung, die bei Auf- und Abschlag des Flügels aufgebracht wird. Die Leistungsbeiwerte sind als Schichtlinien dargestellt. Die Koordinaten stellen die beiden Phasenlagen dar, die den Schlag (horizontal) und das Schwenken (vertikal) in Beziehung zur Drehung setzen. Die beobachteten Daten in diesem Diagramm zeigen, dass theoretisch ein günstiges Zusammenspiel von dem Tier erreicht worden ist. Besser ließe sich die Leistung auch theoretisch nicht aufbringen (minimaler grüner Bereich). Das obere linke Bild stellt den Beiwert der erzielten Schubleistung dar und zeigt, dass die optimale Schubleistung erzielt wird (maximal negativ, weil Leistung gewonnen wird). Wenig eingesetzte Schlagleistung bei hoher Schubleistung deutet auf einen günstigen Wirkungsgrad. Die Rolle von Drehen (rechts, Bild unten) und Schwenken (rechts, Bild oben) ist so zu verstehen, dass Leistung im Mittel nicht nennenswert aufgebracht wird (rote Linie ist null Leistung). Man muss ergänzen: Ohne Drehen und Schwenken wären die Schlagmuskeln jedoch gar nicht in der Lage, ihre aufgebrachte Leistung in Vortriebsleistung umzusetzen. Zu dieser Deutung kommt noch ein Befund, der hier nicht sichtbar wird: Wie sieht die Flügelstruktur aus, die diese optimale Bewegung ermöglicht? Es ist gerade diese perfekte Abstimmung von Flügelstruktur und den instationären Luftkräften, die den Flug der Tiere so effizient macht. Das Bild kann noch einmal in besserer Qualität betrachtet werden: 3dkin_mpw.pdf (177 kByte). Das theoretische Modell mit Definitionen und Formeln findet sich in Sends ZAMM-Arbeit von 1992.

Im Ergebnis muss man festhalten, dass die zentralen Mechanismen beim Tierflug heute verstanden sind. Die bewunderswerten und oft noch nicht verstandenen Details der Wahrnehmung und Anpassung der Flugsteuerung sind es, die die Tiere zu überlegenen Fliegern machen.

Wenn die zentralen Mechanismen aber prinzipiell so einfach sind, dann müsste es doch auch möglich sein, dies im Experiment mit einem künstlichen Vogel nachzuweisen. Vor diesem Hintergrund entstand die Idee, eine Versuchseinrichtung zu schaffen, mit der man die theoretischen Befunde überprüfen kann. Das Bild zeigt den Rundlauf ANIPROP RL3, der auch kommerziell bei ANIPROP GbR zu erwerben ist für eigene Untersuchungen und Experimente. Der künstliche Vogel bringt nur Leistung beim Schlag auf. Eine eingehendere theoretische Untersuchung zeigt, dass Schlagen und Drehen für die Schuberzeugung ausreichen, wobei die Drehung passiv durch die Wirkung der Luftkräfte verursacht wird.

Literatur:
Send, W.,Scharstein, F., Artificial Bird in Tethered Flight - Demonstration amd Aerodynamics, in Biona Report 13 - Motion Systems, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1998, 195-196.
(Weitere Quellen folgen noch)

Diese grundlegenden Erkenntnisse haben Wolfgang Send 1999 dazu gebracht, ein Forschungsprogramm innerhalb des DLR anzuregen, das sich mit den Möglichkeiten der technischen Nutzung der Mechanismen beim Tierflug beschäftigt. Die enorme Adaptionsfähigkeit der fliegenden Lebewesen ist Vorbild, neue Transportflugzeuge in der zivilen Luftfahrt fü die momentanen Strömungsverhältnisse "sensibler" und damit auch effektiver zu machen. November 2000 bis Februar 2001 liefeb Vorversuche, die instationären Strömungsfelder hinter einer Modelltragfläche auf solche Merkmale hin mit modernsten Messverfahren (PIV, Particle Image Velocimetry) zu analysieren. An den Anfang


3. Lehrerverbände und Vortragstätigkeit

Seit Wolfgang Send bei einem Vortrag zur Aerodynamik des Tierflugs an der Universität Essen 1995 erstmals den Rundlauf mit den Experimenten zur Physik des Fliegens vorgestellt hat, sind in den Folgejahren bis heute zahlreiche Einladungen zu Vorträgen bei Lehrerverbänden, in physikalischen Kolloquia, an Museen und bei Ausstellungen erfolgt. Anlässlich der Einladung zu einem Hauptvortrag auf der Jahrestagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Jena 1996 ist eine Arbeit entstanden, die die voranstehenden physikalischen Zusammenhänge mit den Mitteln der Mathematik und Physik der Oberstufe an Gymnasien verständlich macht:

W. Send, Der Mechanismus des Schwingenflugs (0.3 MByte), Hauptvortrag DPG Jahrestagung Jena 1996, Fachverband Didaktik der Physik.

Diese Arbeit ist ein wesentlicher Fortschritt gegenüber der oben zitierten MNU-Arbeit von 1992, in der noch die grafischen Darstellungen zur Schuberzeugung beim Schwingenflug als auf Schulniveau nicht vermittelbar dargestellt wurden.

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4. Institut für Strömungsmechanik der TU Braunschweig

Am dortigen Institut wurden unter Leitung von Prof. Hummel (seit 2001 im Ruhestand)  die theoretischen Ansätze für die Erzeugung von Schubkraft mit den Mechanismen des Schwingenflugs von Mathias Neef im Rahmen eines Graduiertenkollegs untersucht. Gegenstand der Arbeit ist die Verwendung moderner numerischer Verfahren zur Lösung des 3D-Umströmungsproblems für eine schwingende Tragfläche. Die Promotion ist inzwischen abgeschlossen. Eine Zusammenfassung führt weiter auf das Dokument. Es liegt vollständig bei der Bibliothek der Technischen Universität Braunschweig als PDF Dokument vor (ca. 85 MByte) und kann von der Seite mit der Zusammenfassung kopiert werden. An den Anfang


5. Naval Postgraduate School, Monterey (Kalifornien, USA)

Unter Leitung von Prof. Max Platzer sind seit mehreren Jahren eingehende Untersuchungen zur Schuberzeugung mit Schwingenflug gemacht worden. Zu Max Platzer und seinem Mitarbeiter Prof. Jones besteht seit Jahren ein enger Kontakt. Kevin Jones hat eine Homepage mit ausführlichen Darstellungen der dortigen Arbeiten und weiteren Verweisen. An den Anfang


6. Interessante Arbeiten und Internetseiten

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Letzte Änderung: 6. Juni 2010