4. Fliegen Und Gleiten In Der Luft - Eth E

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4. Fliegen und Gleiten in der Luft 106 69 4-0 4.0 Das Fliegen: Überblick Zur Physik des Fliegens Das Fliegen Flugsaurier 107 Fliegen von Vögeln und Flugzeugen Weiss-Storch im Flug Weiss-Störche sind etwa 80 bis 100 cm lang und haben eine Flügelspannweite von 200 bis 220 cm. Bis auf die schwarzen Schwungfedern ist das Federkleid rein weiss. Weiss-Störche haben ein Gewicht von etwa 2.5 bis 4.5 kg. Boeing 747 (Daten für 747-100) • Länge: 70.6 m • Spannweite: 59.6 m • Tragflügelfläche: 511 m2 • Startgeschwindigkeit: ca. 300 km/h • Flugreichweite: 9’800 km • max. Startmasse: 333’400 kg • Durchschn. Sitzplatzanzahl : 366 • Geschwindigkeit: 895 km/h • Flughöhe: 13’700 m (Stratosphärenflug) 108 4–1 4.1 Physikalische Grundlagen 109 Zur Physik des Fliegens Fliegen bedeutet gemeinhin die Fortbewegung eines Lebewesens durch die Luft. Flugbewegungen werden in der Physik mit den Gesetzen der Aerodynamik be – schrieben. Dieser 1. Abschnitt enthält einen Überblick über die grundlegenden Prinzipien des Fliegens. Eine systematische Darstellung auf der Basis der Grundlagen der Aerodynamik (gekoppelte partielle Differentialgleichungen von Navier-Stokes und Euler, s. Anhang 4-A-1-1) würde den Rahmen dieser Darstellung bei weitem sprengen. Wir begnügen uns deshalb mit der einfachsten Beschreibung auf der Basis der wohlbekannten Bernoulli-Gleichung , aus welcher wir auf heuristischer Basis die Kutta-Joukowski Gleichung herleiten und diskutieren. Schon mit Hilfe dieser stark vereinfachten Gleichungen lassen sich die grundlegenden Aspekte des Fliegens qualitativ erklären. Danach werden wir die einfachen Gleichungen für den Auftrieb und den Widerstand diskutieren, welche der Ingenieur und Flugzeugbauer benützt. Diese Gleichungen werden mit einigen Anpassungen auch für den Flug von Vögeln verwendet. Es stellt sich heraus, dass die Form der Flügel und ihre Stellung relativ zur Luftströmung von entscheidender Bedeutung ist. Es zeigt sich dass leicht gekrümmte und asymmetrische Flügelformen optimal sind. 110 4–2 Aerodynamische Grundlagen Die Strömung von Luft um die Flügel eines Tieres oder eines Flugzeuges ist physikalisch ein äusserst komplexer Vorgang: Beim Abflug ist die Strömung in der Regel turbulent (verwirbelt) und die Stromlinien (Linien mit konstantem Druck) um die Flügel sind entsprechend kompliziert. Für eine wohldefinierte Form des Flügels und der Luftströmung kann das Strömungsprofil im Prinzip experimentell bestimmt werden. Andererseits kann mit theoretischen Methoden der Aerodynamik das Strömungsprofil auch berechnet werden. Dazu müssen aber komplexe theoretische Methoden angewendet werden, wie z.B. die Navier – Stokes Gleichungen, die Euler’sche Strömungstheorie, das Kutta-Joukovsky Theorem und die Bernoulli–Gleichung (s. Anhang 4-A-1-1). Im Folgenden beschränken wir uns auf die Bernoulli Gleichung, und auf das Kutta-Joukowsky Theorem. Daraus resultieren qualitative Aussagen über den Auftrieb und den Widerstand des Systems. Auftrieb Kräfte, welche auf die flatternden Flügel eines Vogels wirken: Schubkraft - Widerstand – Gewicht – Auftrieb Die resultierende Kraft auf den Vogel ist die Superposition der Kräfte, welche auf die beiden Flügel wirken. Schubkraft Widerstand Gewicht Auftrieb Schubkraft Die Figur zeigt die 4 Kräfte, welche auf den Flügel eines Vogels oder eines Flugzeugs wirken. Widerstand Gewicht 111 Zur Bernoulli-Gleichung Die im Anhang 4-A-1-2 und 4-A-1-3 hergeleitete Bernoulli-Gleichung lautet p + (1/2) r u2 + r g z = const. oder p1 + (1/2) r u12 + r g z1 = p2 + (1/2) r u22 (4.1.1) + r g z2 (4.1.2) Dabei ist p der statische Druck, (1/2) r der dynamische Strömungsdruck und r g z der Schweredruck; u ist die Geschwindigkeit, r die Dichte, g die Erdbeschleunigung und z die Höhe. Die Gleichung besagt, dass bei stationärem und inkompressiblem Fluss und vernachlässigbarer Reibung die Summe dieser Drucke konstant ist. Diese Gleichung kann auch als Energieerhaltungssatz formuliert werden: Mit den im Anhang 4-A-1.2 und 4-A-1-3 eingeführten Bezeichnungen ist r = dm/dV die (konstante) Dichte; daraus folgt die Gleichung: (dm/r) p + (1/2) dm u2 + dm g z = const. Dabei ist (dm/r)p die Druckenergie, (1/2) dm u2 die kinetische Energie und dm g z die potentielle Energie der Lage: Die Gesamtenergie eines Fluidteilchens der Masse dm auf seinem Weg längs einer Stromlinie bleibt konstant. u2 Sind in Gleichung (4.1.2) die Ortshöhenunterschiede z2 – z1 in einer Strömung so klein, dass sie vernachlässigt werden dürfen, dann folgt aus Gleichung (4.1.1) p + (1/2) r u2 = const. (4.1.3) Aus dieser Gleichung folgt, dass dann der Druck in einer strömenden Flüssigkeit umso kleiner ist, je grösser die Geschwindigkeit u ist. In einem horizontalen Rohr ist also der Druck an den engeren Stellen kleiner als an den weiteren. Das gleiche gilt auch für die Strömung um einen Tragflügel (s. Ref. R.4.1.13 und pp 113 - 118). 112 4–3 Strömung um Tragflügel - 1 Im Folgenden werden die an einer Flugzeugtragfläche auftretenden Wirbel und das resultierende Strömungsbild erklärt. Wird sie mit Luft von vorne her angeströmt, dann fliesst ein Teil der Luft über die Tragfläche und ein anderer Teil unter der Tragfläche durch (Parallelströmung). An der Hinterkannte stellt man einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen der oberen und unteren Teilströmung fest. Die obere Teilströmung muss wegen der asymmetrischen Form der Tragfläche einen längeren Weg zurücklegen b und wird zudem von der Reibung stärker abgebremst als die untere. 2c = Flügelspannweite, b = c x mittlere Flügeltiefe einer Tragfläche (Flügel). Am Flügelende bildet sich dadurch ein freier Wirbel aus (Wirbelschleppe). Das wird im mittleren Bild in zweidimensionaler Darstellung gezeigt. Dieser Wirbel wird als Anfahrwirbel oder Startwirbel bezeichnet, der sich langsam von der Tragfläche ablöst und entfernt. G Aufgrund der Drehimpulserhaltung muss noch ein zweiter Wirbel vorhanden sein. Dieser hat umgekehrten Drehsinn zum Anfahrwirbel und bewegt sich um die Tragfläche. Man bezeichnet ihn als Zirkulationsströmung G, die sich mit der Parallelströmung um den Flügel überlagert (s. p. 114). 113 Strömung um Tragfläche - 2 Von der technisch höchst wichtigen Theorie der Tragflächen werden hier nur die wichtigsten Aspekte diskutiert. Bewegt sich die Tragfläche eines Flugzeuges durch die Luft, so bildet sich um die Tragfläche eine Strömung aus, die man als die Überlagerung einer sog. Potentialströmung (Figur 5a: Parallelströmung) und einer Zirkulation G (Figur 5b) ansehen kann. Die Entstehung der Zirkulation wurde auf p. 113 dargestellt. Die resultierende Strömung ist in Figur 5c) dargestellt. In dieser sind die Stromlinien oberhalb der Tragfläche zusammengedrängt, unterhalb der Fläche viel weniger dicht, und daher ist der Luftdruck nach der Gleichung von Bernoulli (Gleichung (4.1.3) auf p. 112) geringer als unter ihr. Diese erfährt also eine nach oben gerichtete Kraft, die man auch als Auftrieb FA bezeichnet und die das Flugzeug trägt. Eine qualitative Erklärung des Auftriebs wird auf p. 115 gegeben. FA p1 < p2 ; u1 > u2 u∞ + p2 , u 2 u∞ 5a) Potentialströmung 5b) Zirkulation G 5c) resultierende Strömung Die Auftriebskraft FA hängt von der Luftdichte r, der Strömungsgeschwindigkeit u∞ , der Flügeltiefe b und der Spannweite c des Tragflügels (s. p. 113) sowie von der Zirkulation G ab. Da die Zirkulation im Gegenuhrzeigersinn verläuft, ist G per Definition negativ: G < 0 . Eine heuristische Herleitung von G und FA wird auf pp 117-118 erörtert. 114 4–4 Qualitative Erklärung des dynamischen Auftriebs Unter dem dynamische Auftrieb versteht man die Kräfte, die auf gleichmässig umströmte Körper senkrecht zur Strömung wirken. Dies ist dann der Fall, wenn die Zirkulation auf den Körper ungleich Null ist (s. p. 114). Durch das Auftreten der zirkulatorischen Umströmung, welche der einfachen Potentialströmung um den Körper überlagert ist, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberfläche des Körpers (u1 > u∞), auf der Unterseite wird sie vermindert (u2 < u∞) , sodass u1 > u2 , (s. Figur, p. 114). Nach der Bernoulli’schen Gleichung ist die Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten einer Druckdifferenz äquivalent, d.h. p2 > p1 . Da p1 = p1(x) und p2 = p2(x) (x-Koordinate s. pp 113, 117) ist der Auftrieb gegeben durch c FA = b ∫ [p2(x) – p1(x)] dx (4.1.4) 0 wobei b die mittlere Flügeltiefe und c die Spannweite eines Flügels ist (s. Figuren pp 113, 117). Die Kutta–Joukowski Gleichung (pp 116 - 118) liefert den quantitativen Zusammenhang zwischen der Zirkulation G, der Anströmungsgeschwindigkeit u∞, der Dichte r des Strömungsmediums (Luft) und dem Auftrieb FA bei reibungsfreier, ebener Umströmung des Profils : FA = - r b G u∞ . (4.1.5) Die Zirkulation G wird auf pp 116 – 118 definiert und auf der Basis eines einfachen Beispiels diskutiert. Wegen des Drehsinns ist G < 0 und damit FA > 0. 115 Satz von Kutta - Joukowski und Auftrieb eines Tragflügels Gemäss Glg. (4.1.5) ist die Auftriebskraft FA gegeben durch FA = - r b G u∞ (4.1.6) r = Dichte der umströmenden Luft ; b = mittlere Flügeltiefe (s. pp 113, 115) u∞ = ungestörte Anströmgeschwindigkeit (s. pp 113 - 115); G : Zirkulation der Luft um Tragflügel (G < 0 , s. pp 113 - 115)  FA > 0 . Die von Kutta–Joukowski eingeführte Zirkulation G ist definiert durch das Linienintergral G = ∫ ∫ u cos(q ) ds u ds = (4.1.7) = c c über eine den Tragflügel umschliessende Kurve C (s. untenstehende Figur). u cos(q) q u Tragflügel u∞ C 116 4–5 Heuristisches Modell für die Zirkulation G und den Auftrieb FA Die von Kutta-Joukovski definierte Zirkulation G (Glg. (4.1.7)) ist erforderlich, um die Auftriebskraft FA (Glg. (4.1.6)) zu berechnen. Eine exakte Herleitung von G würde den Rahmen dieser Darstellung sprengen (s. Ref. R.4.1.6.d für eine Herleitung). Die folgende heuristische Betrachtung ist nicht exakt aber illustrativ (Ref. R.1.4.7 c). Wir betrachten den hier abgebildeten Tragflügel um welche Luft strömt. FA a = Anströmwinkel c a u∞ x b = Angle of Attack = Winkel zwischen anströmender Luft und Profilsehne des Flügels Die Geschwindigkeit der anströmenden Luft ist u∞. Der Luftdruck an der oberen Seite ist p1(x), jener an der unteren Seite p2(x). Wie auf p. 114 erörtert, ist wegen der Bernoulli – Gleichung (4.1.2 und 4.1.3) (für Höhen z1 ≈ z2 ) p2 > p1 und demnach u1 > u2. Die Druckdifferenz Dp(x) = p2 – p1 ist gegeben durch Dp(x) = p2 – p1 = (1/2) r (u12 – u22) = (1/2) r (u1 + u2) (u1 - u2) (4.1.8) Wir setzten näherungsweis (1/2) (u1 + u2) = u∞ und u1 – u2 = Du(x). Daraus folgt: Dp(x) = r u∞ Du(x). Ist c die Spannweite und b die mittlere Tiefe des Tragflügels, dann folgt für die Auftriebskraft FA die folgende Gleichung: 117 Kutta – Joukowski : Heuristisches Modell c c FA ≈ b ∫ Dp(x) dx = b r u∞ ∫ [u1(x) – u2(x)] dx 0 (4.1.9) 0 Eine nähere Betrachtung des Integrals zeigt, dass dieses der negativen Zirkulation um den Tragflügel entspricht. Die Zirkulation ist gegeben durch c G ≈ ∫u 0 ‘0 2 dx + ∫u c 1 dx = - c ∫ (u1 – u2) dx c = - 0 ∫ Du(x) dx (4.1.10) 0 Mit (4.1.5) folgt eine Beziehung zwischen der Auftriebskraft FA und der Zirkulation G: c FA = - b r u∞ G = + b r u∞ ∫ Du(x) dx (4.1.11) 0 In einer Näherung ersetzen wir u1(x) und u2(x) durch konstante mittlere Geschwindigkeiten u1m und u2m . Daraus folgt die mittlere Zirkulation Gm = - c (u1m - u2m) (4.1.12) und die mittlere Auftriebskraft FAm ist dann gegeben durch FAm = - b r u∞ Gm = + b c r u∞ (u1m - u2m) (4.1.13) Setzen wir u1m = u∞ + uZirk und u2m = u∞ - uZirkk , wobei uZirk die Zirkulationsgschwindigkeit ist, dann folgt mit u1m - u2m = 2 uZirk Gm = - 2 c uZirk und FAm = 2 b c r u∞ uZirk 118 118 4–6 (4.1.14) Auftrieb: technische Formel und Kutta – Joukowski In der technischen Literatur wird für den Auftrieb oft folgende Beziehung verwendet : FAt = (1/2) CA b c r u∞2 (4.1.15) Hier ist CA der sog. Auftriebsbeiwert oder Auftriebskoeffizient , der unter anderem von der Stellung des Tragflügels (Steigung a , s. p. 117) und der Form des Tragflügels abhängt . Identifizieren wir Fat mit der theoretischen Formel (4.1.6) , bzw. (4.1.11) : Fat = FA , dann folgt (1/2) CA b c r u∞2 = - b r u∞ G oder CA = - 2 G / (c u∞) bzw. G = - (1/2) CA c u∞ (4.1.16) (4.1.17 ) [man beachte , dass G < 0 und damit CA > 0] . Zur Illustration von Glg. (4.1.17) benützen wir das heuristische Modell für G, nämlich Gm = - 2 c uZirk (Glg. (4.1.14)), und erhalten für den Auftriebskoeffizienten CAm : CAm = 2 (u1m – u2m) / u∞ = + 4 uZirk / u∞ (4.1.18) Als Beispiel sei u1m = 1.28 u∞ und u2m = 0.72 u∞ ; dann ist uZirk = 0.28 u∞ und CAm = 1.12. 119 4–7 4.2 Fliegende und gleitende Tiere 120 4.2.1 Wirbellose und Wirbeltiere Wirbellose Wirbeltiere Als Wirbellose oder Invertebraten versteht man alle tierischen Organismen ohne Wirbelsäule. Den Invertebraten fehlt in der Regel ein InnenSkelett, dagegen ist oft ein Aussenskelett ausgebildet. Die Gattung der Wirbeltiere verfügt über ein Innenskelett, dessen Zentrum die Wirbelsäule ist. Wirbeltiere gehören zu den höherentwickelten Lebensformen. Beispiele von Wirbeltieren : Zu dieser Gruppe von Lebewesen gehört die Mehrzahl aller bekannten Tierarten. Säugetiere (z.B. Menschen) Vögel Fische Kriechtiere Lurche (z.B. Frösche) Beispiele von Wirbellosen : Insekten Weichtiere (z.B. Schnecken) Ringelwürmer (z,B, Egel) Nesseltiere (z.B, Qualle) Urtiere (z,B. Amöbe) Tintenfische (Tintenschnecken) 121 4–8 Die biologische - geologische Zeitskala Schrumpfung des Erdzeitalters auf einen Tag Alter in Mio. Jahren) 0.01 0.13 1.5 7 10 33 80 200 280 360 420 470 600 1000 1500 2200 3200 Entwicklung Ackerbau und Viehzucht Homo sapiens Homo habilis aufrechter Gang Vormenschen Menschenaffen Affen Säuger Reptilien Amphibien Fische Wirbeltiere Vielzeller Sexualität Eukaryoten Photosynthese Einzeller Die geologische Zeitskala ist eine Tabelle, welche die Erdgeschichte chronologisch und hierarchisch gegliedert darstellt. (In der Tabelle rechts von unten nach oben) 1 Tag Alter 0.2 s 2 s 25 s 2 min 3 min 10 min 20 min 1h 1 h 20 min 1 h 45 min 2h 2 h 15 min 3h 5h 7h 11 h 15 h Mit Beginn des Zeitalters sichtbaren tierischen Lebens vor 542 Millionen Jahren setzt der kontinuierliche Fossilbericht ein, der mit den Methoden der Biostratigraphie eine differenzierte Einteilung ermöglicht. In der nebenstehenden geologischen Tabelle befinden sich die älteren Zeitabschnitte unten, die jüngeren oben, so wie die Serien der Sedimentgesteine innerhalb eines idealisierten tektonisch ungestörten Gesteinsprofils anzutreffen sind. Beispiele von fliegenden oder gleitenden wirbellosen Tieren und Wirbeltieren sind auf p. 123 zusammengestellt. 122 Bekannte Lebewesen auf der Erde Die Insekten werden in viele Gruppen Eingeteilt, zu denen die Käfer, die Schmetterlinge, die Mücken und viele andere gehören. Wie auf dem Bild ersichtlich, bilden die Käfer die grösste Gruppe der Insekten. Es gibt über 250’000 Käferarten. Sucht man im Wald, so findet man unter einem umgedrehten Stück Holz oder im abgefallenen Laub leicht einen Käfer. So unterschiedlich die 250’000 Käferarten sind, so haben sie eines gemeinsam: Alle Käfer werden durch einen harten Hauptpanzer geschützt. Unter diesen Hauptpanzern liegen zwei zarte, faltbare Hautflügel. Wie alle Insekten bewegen sich Käfer mit sechs Beinen fort. Die Fühler benutzen die Käfer zum Tasten. Bei der Geburt ist der Käfer eine Larve. Dann verpuppt sich die Larve und entwickelt sich dann zum Käfer. Die in der Figur eingezeichneten roten Pfeile geben die Arten der Insekten an. Man beachte, dass die Wirbeltiere nur einen sehr geringen Anteil aller Lebewesen ausmachen. 123 4–9 4.2.2 Fliegende und gleitende Wirbellose: Insekten 124 Was ist ein Insekt ? Der Begriff «Insekten» kommt vom lateinischen «Insecare», was «einschneiden» bedeutet und auf die drei Körperabschnitte (Kopf , Brustteil und Hinterleib) hindeutet. Die Wissenschaft von der Insektenkunde ist die Entomologie . Insekten sind wirbellose Tiere, d.h. sie haben im Gegensatz zu Säugern, Fischen, Reptilien, Amphibien und Vögeln keine Wirbelsäule und auch kein inneres Skelett. Sie gehören zum Wirbellosenstamm der Gliederfüssler, welche durch ihre gegliederten Beine und ihr hartes, schützendes Aussenskelett charakterisiert sind. Von den übrigen Gliederfüsslern unterscheiden sich die Insekten dadurch, dass sie nur drei Beinpaare und meist ein bis zwei Paar Flügel besitzen. Spinnen oder Skorpione gehören daher nicht zu den Insekten . Eine sehr grosse Anzahl von Insekten sind fliegende Tiere. Neben den fliegenden Insekten gibt es aber auch nicht-fliegende Insekten , Beispiele der letzteren sind Grillen, Motten und Steinfliegen. Innerhalb der vorliegenden Thematik von «fliegenden Tieren» befassen wir uns nur mit fliegenden Insekten. 125 4 – 10 Der Planet der Insekten Im Tierreich wird zwischen Ein- und Mehrzellern unterschieden. Letztere unterteilt man in etwa 30 Stämme, zu denen die Arthropoden (Gliederfüsser) zählen (arthron = Glied und podes = Füsse). Arthropoden stellen mehr als 80 % aller Tierarten, die dazugehörigen Insekten hiervon wiederum mehr als 75 % dar, und täglich kommen neu beschriebene Arten hinzu. Einige Wissenschaftler sprechen gar von über 50 Millionen Insekten, die irgendwo auf unserem Planeten auf ihre Entdeckung warten. Mit über einer Million bisher entdeckten Spezien stellen Käfer als artenreichste Insekten an erster Stelle, gefolgt von Schmetterlingen mit etwa 180’000 beschriebenen Arten (s. p. 123). Den Schmetterlingen folgen die Fliegen und Mücken und anschliessend die Hautflügler. Daneben existieren noch viele weitere Insekten, die in der Figur auf p. 123 unter «Sonstige Insekten» aufgeführt sind. Die ersten Insekten bevölkerten unsere Erde vor etwa 400 Millionen Jahren, gehören also zu einer der ursprünglichsten Arten unseres Planeten. Zudem sind sie die anpassungsfähigsten Tiere der Welt, denn während Spezies wie die Dinosaurier ausstarben, konnten sich Insekten stets weiterentwickeln und vermehren. Ihre enorme Anpassungsfähigkeit erlaubt den Insekten, jeden Ort der Erde zu bevölkern – sie leben in der Luft, im Wasser, in Holz, etc. Entsprechend dem Grundbauplan der Insekten haben die Käfer zwei Paar Flügel, von denen aber nur das hintere Paar zum Fliegen geeignet ist, Das fordere ist sklerotisiert (verhärtet). Die meisten Käfer können mehr oder weniger gut fliegen. Darunter gibt es Arten, die hervorragend gut fliegen und Maximalgeschwindigkeiten bis zu 8 m/s erreichen. 126 Grösste und kleinste fliegenden Insekten der Welt Sucht man in der Literatur nach den grössten und kleinsten fliegenden Insekten der Welt, dann erhält man keine eindeutigen Antworten, hauptsächlich was die grössten Insekten betrifft. Untenstehend wurden Insekten aufgeführt, die zu den besten Kandidaten gehören. Flügelspannweite Königin Alexandra Vogelfalter Männchen Das kleinste Insekt überhaupt ist eine Art der Zwergwespen, die sog. «Dicopomorpha Echmepterygis»: Das Männchen hat eine Länge von 0.14 mm, ist aber flugunfähig und blind. Die Weibchen sind ca. L = 0.2 mm und sind flugfähig. Die Reynoldszahl Re = (r/h) L*u (s. pp 4-A-2-1 und 4-A-2-2), ist von der Grössenordnung Re ≈ 1. (Hinweis auf diese Zwergwespe von Herrn Peter Etter). Eine der grössten Insekten der Welt ist ein Schmetterling. Der grösste bekannte Schmetterling ist der Vogelfalter Königin Alexander; seine Spannweite wird bis 28 cm gross und der Nachtfalter Atlasspinner kann über 30 cm erreichen. 127 4 – 11 Zur Morphologie der Insekten Flügel Brust Kopf Hinterleib Fassettenauge Gliederfuss Insekten sind wirbellose Tiere, sie haben also keine Wirbelsäule. Dafür haben sie einen harten äusseren Körperpanzer aus Chinin und sechs gegliederte Beine. Ihr Körper besteht aus drei Abschnitten (s. auch p. 129): Kopf, Brust und Hinterleib. Augen, Mundwerkzeuge und Fühler befinden sich am Kopf, während Beine und Flügel mit dem mittleren Brustsegment verbunden sind. Im hinteren Segment (Abdomen) befinden sich Herz, Darm und Fortpflanzungsorgane des Insekts. Aber nicht jedes Krabbeltier ist auch ein Insekt ! Spinnen und Krebse ähneln den Insekten, aber sie bilden ihre eigene Tiergruppe. Charakteristisch ist wirklich die Gliederung in drei Teile. 128 Zum inneren Körperbau eines Insekts: Die Biene Augen: Viele Insekten haben zwei Facettenaugen, die sich aus vielen hundert Einzelaugen zusammensetzen. Die Facetten nehmen nur einen kleinen Teil der Umwelt war. Erst im Gehirn wird dann das ganze Bild zusammengesetzt. Je mehr Facetten die Augen haben, desto klarer wird das Bild. Atmung: Insekten haben keine Lungen. Entlang des Körpers verfügen sie über viele kleine Löcher, durch die sie Luft aufnehmen können. Bienen sind staatenbildende Insekten (s. p. 130). Die Fortpflanzung übernehmen oft nur sehr wenige Geschlechtstiere innerhalb des Insektenstaates. Bei der Biene ist es nur eine einzige Königin, die befruchtete und unbefruchtete Eier legt. 129 4 – 12 Facettenauge eines Drohns: männliche Biene Bienen , Ameisen und Termiten Bienen Ameisen Der Höhepunkt des Bienenjahres ist die Schwarmzeit, in welcher ein Teil der natürlichen Fortpflanzung stattfindet (vom April bis Juni). Das ist dann der Fall, wenn der Bienenstock vor Honig und Bienen überquillt. Flügel besitzen nur geschlechtsreife Männchen und Weibchen. Zur Paarung verlassen die fliegenden Ameisen in Schwärmen ihren Bau und begeben sich auf Hochzeitsreise: Die Paarung findet in einer Höhe von 15 – 20 m statt. Die Bienen stürzen wie ein Wasserfall aus dem Flugloch und erfüllen die Luft mit Brausen. Im Schritttempo zieht diese 10 - 20 m grosse Bienenwolke friedlich dahin, die Königin in ihrer Mitte bis sie sich an einer geeigneten Stelle wieder setzen. Ameisen sorgen für ein intaktes ökologisches Gleichgewicht: Dazu gehört die Umschichtung der oberen Erdschichten, die Vernichtung von Abfallprodukten und kleinen schädlichen Insekten. Termiten-Schwarm Termiten bilden eine statenbildende Ordnung der Insekten und gehören zu den Fluginsekten. Ein Termitenstaat kann mehrere Millionen Individuen umfassen. Die mit voll entwickelten Facettenaugen versehenen Geschlechtstiere legen nach dem Schwärmen (Hochzeitsflug) die Flügel ab. Nach dem Abwurf der Flügel bleibt an der Flügelbasis eine Flügelschuppe erhalten. 130 4.2.3 Schmetterlinge Schmetterlinge gehören zu den Insekten (Lepidoptera). Systematisch gesehen bilden sie eine eigene Ordnung innerhalb der Insekten. Weltweit gibt es ca. 200’000 verschiedene Schmetterlingsarten. In Mitteleuropa leben hiervon mehr als 3’000 Arten. PfauenaugeSchmetterling Von den anderen Insekten lassen sie sich dadurch abgrenzen , Flügel besitzen, die Schuppen tragen (s. p. 133). dass sie Der Falter ist das erwachsene Tier. Er dient dazu, Nachkommen zu erzeugen (s. p . 132). Seine Hauptaufgabe besteht deshalb darin, die befruchteten Eier an Stellen abzulegen, an denen sich diese sicher entwickeln können. Die Schmetterlingseier werden hierzu von den Weibchen z.B. an der Blattunterseite einer Pflanze abgelegt, wo sie gut vor Regen und Sonne geschützt sind. Die Schmetterlingseier sind je nach Schmetterlingsart unterschiedlich gross und unterschiedlich geformt; in der Regel haben die Schmetterlingseier aber einen Durchmesser von 0.4 bis 2.6 mm. Aus den Eiern schlüpfen zumeist innerhalb weniger Tage die Larven, die man bei den Schmetterlingen Raupen nennt (s. p. 132). 131 4 – 13 Entwicklungsstadien eines Schmetterlings Je nach Klima kann der Lebenszyklus einer Art nur wenige Tage kurz oder bis zu vier Jahren lang sein. vollentwickeltes Insekt (Imago) geschlechtsreife Falter bei der Paarung aus der Puppe schlüpfender Falter Admiral (Vanessa atalanta) befruchtetes Ei: (dreizehnfach vergrössert) Larve oder Raupe Puppe oder Chrysalis 132 Flügel und Flugverhalten Die Flügel sind bis auf wenige Ausnahmen die eigentlichen Bewegungsapparate der Falter. Die Vorder- und Hinterflügel sind einzeln aufgehängt, werden aber im Flug miteinander durch besondere Mechanismen miteinander gekoppelt. Bei den Tagfaltern fehlt aber eine solche Verbindung. Schmetterlingsflügel sind viel empfindlicher als die Flügel von Fliegen. Schmetterlingsflügel sind nämlich auf der Oberseite und auf der Unterseite mit Schuppen besetzt, die den sehr dünnen Häuten erst die richtige Stabilität geben damit sie auch fliegen können. Links: Schuppen bei 25 – facher Vergrösserung. Das Flugverhalten Abhängig von der Schmetterlingsart und ihrer Flügelform kann man mehrere Flugformen unterscheiden. Vom schnellen Schwirrflug bis hin zum langsamen Flattern und Gleiten zeigen sie alle von der Geschwindigkeit des Flügelschlags und der Art der Fortbewegung bedingten Abstufungen. Angetrieben werden die Flügel durch mehrere Muskeln des Thorax. Die Flügel der Falter schlagen im Flug nicht einfach auf und ab, sondern drehen sich an der Basis, sodass sie eine «8» beschreiben. Zu den schnellen Faltern gehören die Schwärmer. Sie können sich bis 50 km/h fortbewegen und im Flug, während des Nektarsaugens, auch still stehen und sogar rückwärts fliegen. Die ganz kleinen Falter lassen sich durch den Wind transportieren und schweben in der Luft wie Plankton im Wasser. Allgemein ist der Wind ein wichtiges Transportmittel. 133 4 – 14 Einige Schmetterlinge Admiral – 40- 60 mm Vogelfalter: bis 280 mm ! Kleiner Fuchs: 45 – 50 mm 134 4.2.4 Fliegen und Mücken: Taufliegen und Tsetsefliegen Taufliege im Gleitflug: Flügel stehen fast still. Sie ist nur wenige mm gross. Um mit ihren kleinen Flügeln effizient fliegen zu können (Bild unten), müssen Fliegen sehr schnell damit schlagen. Das verursacht das bekannte und allgegenwärtige lästige Summen der kleinen Flieger. Die Taufliege (Drosophila melanogaster), im Volksmund auch Fruchtfliege genannt, bewegt ihre Flügel mit einer Frequenz von 200 – 250 Schwingungen pro Sekunde (200 – 250 Hertz). Ihre Flugmuskeln kontrahieren und entspannen sich also 200 bis 250 mal pro Sekunde! Wie erreicht dir Taufliege diese hohe Schlagfrequenz ? Der Trick der Fliegen ist verblüffend einfach: Die Kontraktionen der Flugmuskeln werden nicht nur durch Nervenimpulse gesteuert, sondern zusätzlich durch Spannung. Dazu besitzt die Fliege zwei Kategorien von Flugmuskeln: Die einen bewegen die Flügel nach unten und dehnen dabei die andern, die dann kontrahieren. Dadurch werden die Flügel wieder nach oben gezogen, ein höchst effektiver Kreislauf. Die Taufliege kann ihre Flugrichtung innerhalb von 50 Millisekunden um 90o verändern ! Taufliege im aktiven Flug mit sehr hoher Schlagfrequenz der Flügel ! Tsetsefliegen leben in Afrika, ernähren sich von menschlichem und tierischen Blut und übertragen die gefährliche Schlafkrankheit. 135 4 – 15 Stechmücken Stechmücken sind eine Familie von Insekten der Ordnung der Zweiflügler. Weltweit gibt es mehr als 3’500 Stechmückenarten. Mit Hilfe spezialisierter Mundwerkzeuge, dem stechendsaugenden Rüssel, können weibliche Stechmücken die Haut ihrer Wirte durchstechen und Blut saugen. Die dabei aufgenommenen Proteine sind für die Produktion der Eier erforderlich. Ansonsten ernähren sich Stechmücken von Nektar und anderen zuckerhaltigen Pflanzen. Fliegende Stechmücke Bestimmte Stechmücken sind als Krankheitserreger, wie zum Beispiel Malaria oder Denguefieber, bekannt. Noch heute sterben daran jährlich ca. 2 Millionen Menschen! Flugeigenschaften Stechmücken können mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.5 bis 2.5 km/h fliegen. Ihre Flughöhe ist im Allgemeinen abhängig von der jeweiligen Art, von der Höhe des Aufenthaltsortes über Meer, vom Wetter, vom Luftdruck, der Temperatur und den Lichtverhältnissen. Bei warmem, windstillem Wetter mit leichter Bewölkung ohne starke direkte Sonneneinstrahlung ist die Aktivität der Stechmücke am grössten. Dann kann von einigen Arten eine grosse Flughöhe erreicht werden, indem sie von thermischen Aufwinden in Höhen von über 100 m getragen werden. Bei kühler oder regnerischer Witterung fliegen viele Stechmücken nur kurze Distanzen und verbleiben eher in Bodennähe. Bei deutlichem Wind und Temperaturen im Bereich des Gefrierpunktes stellen sie die Flugaktivität komplett ein. 136 4.2.5 Hautflügler Holzwespe Pflanzenwespe im Flug Zu den Hautflügler gehören so bekannte Insekten wie die Bienen, Wespen und Hummeln. Die Bienen stellen für den Menschen wohl die wichtigste Insektengruppe dar. Die Zahl der bis heute bekannt gewordenen Hautflügler-Arten liegt etwa bei 100’000. Doch dürfte sich die Gesamtzahl der Arten noch beträchtlich erhöhen, wenn erst in den tropischen Gebieten noch intensiver nach den Kleinwespen geforscht wird. Verbreitet sind die Vertreter der Ordnung der Hautflügler in fast allen Lebensräumen, vom feuchten tropischen Regenwald bis in die trockensten Wüstengebiete. Die Mehrzahl der Hautflügler trägt zwei membranartige durchsichtige Flügelpaare, wobei die Hinterflügel kleiner als die Vorderflügel sind. Die funktionelle «Zweiflügeligkeit» wirkt sich auf die Flugtüchtigkeit sehr positiv aus. 137 4 – 16 4.2.6 Libellen Ausgespannte Libelle Libelle im Flug Die Flugkünste vieler Libellen sind atemberaubend, perfektioniert in Millionen von Jahren der Evolution. Grosslibellen beispielsweise können ohne Rückenwind mehr als 40 km/h erreichen, schnell beschleunigen, aus vollem Flug abrupt abbremsen, plötzlich die Richtung ändern und einige Arten können sogar rückwärts fliegen. Mit Windunterstützung können einzelne Arten in wenigen Tagen bis zu 1000 km zurücklegen und so aus dem Mittelmeergebiet über die Alpen bis nach Mitteleuropa vordringen, Kleinlibellen beeindrucken mehr durch ihre extrem hohe Manövrierfähigkeit auf engem Raum. Ermöglicht werden dies Leistungen durch eine sehr starke Flugmuskulatur und leichte, aber dennoch stabile Flügel (die 4 Flügel einer Grosslibelle wiegen zusammen nur ca. 10 mg, die ganze Libelle aber etwa 1 g). Zudem können die beiden Flügelpaare unabhängig voneinander bewegt werden, und da jeder Flügel von einem eigenen Muskelpaar bewegt wird, ist er einzeln nach Bedarf verstellbar. Bei gewöhnlichem Fliegen bewegen Libellen ihre Flügel mit einer relativ kleinen Frequenz, nämlich nur bis etwa 30 mal pro Sekunde auf und ab und fliegen praktisch lautlos. Die entsprechende Frequenz von Fliegen und Mücken (p. 135) ist viel grösser, nämlich 200 - 250 mal pro Sekunde. 138 Vergleich von Libelle mit Helikopter Das Flugverhalten einer Libelle ist vergleichbar mit jener eines Hubschraubers (Helikopters) : • • • • • • Beide sind «Senkrechtstarter» und «Senkrechtlander» Beschleunigung aus vollem Flug Abruptes Abbremsen Plötzliche Aenderung der Richtung Rückwärtsflüge Hohe Manövrierbarkeit [Der Auftrieb von Helikoptern beruht auf der Strömung der Luft um die rotierenden Propeller, deren Profil jenen der statischen Tragflächen gleicht (s. pp 113 – 119 und Ref. R.4.2.20); Der Auftrieb entsteht also durch den Unterdruck durch die schneller strömende Luft an der Oberseite der Rotorblätter]. 139 4 – 17 4.3 Fliegende und gleitende Wirbeltiere Der Stamm der Wirbeltiere wird in 5 Klassen eingeteilt: Säugetiere 140 4.3.1 Fliegende Urtiere 141 4 – 18 Pterosaurier im Gleitflug Die Flugsaurier sind ausgestorbene Tiere, die wie die Dinosaurier, klassisch den Reptilien zugeordnet werden. Es handelt sich dabei um Pterosaurier, die im Gegensatz zu den Dinosaurier, in der Lage waren, hauptsächlich zu gleiten, ev. gar aktiv zu fliegen. Die frühesten Funde von Flugsaurier reichen zurück bis in die untere Obertrias (Kambium) vor etwa 228 Millionen Jahren. Sie waren auf der Erde präsent bis zum grossen Massensterben an der Wende der Kreidezeit vor etwa 65 Millionen Jahren. Der abgebildete Flugsaurier (Pterosaurus) ist die grösste bekannte fliegende Kreatur. Wissenschafter schätzen, dass der Texas Flugsaurier eine Flügelspannweite von ca 15 m besass - grösser als die meisten modernen Überschall-Flugzeuge! 142 Flugsaurier: Anatomie Das auffälligste Merkmal der Flugsaurier sind die zu grossen Schwingen umgestalteten Vorderbeine, die den Tieren sowohl den Gleitflug als auch den aktiven Flug ermöglicht haben. Die Flügelknochen der Flugsaurier waren in der Regel hohl und sehr dünnwandig. Sie enthielten viele luftgefüllte Bereiche. Damit wurde das Gewicht der Knochen nicht zu hoch. Durch Knochenbälkchen wurden vor allem die Enden der grossen Knochen verstärkt. In der Regel werden aus diesem Grunde nur Fragmente der Flügelknochen gefunden, intakte sind äusserst selten. Die Wirbelsäule der Flugsaurier unterscheidet sich von den früheren Reptilien deutlich und ist der fliegenden Lebensweise angepasst. In einigen Bereichen ähnelt sie sehr stark der Wirbelsäule von Vögeln mit einer ausgeprägten Schulterregion und einer massiven Region im Bereich der Becken. 143 4 – 19 Charakterisierung der Pterosaurier Die grössten Pterosaurier hatten eine geschätzte Flügelspannweite vom 11 – 13 Metern. Seine hohlen Knochen ermöglichten ein für seine Grösse geringes Gewicht von ca. 100 kg; andere Quellen gehen von bis zu 200 kg aus. Der Rumpf war im Vergleich zur Flügelspannweite sehr klein. Die Art war vermutlich kein ausdauernder aktiver Flieger sondern legte weite Strecken im Segelflug zurück wobei sie thermische Luftströmungen ausnützten und so mit minimalem Energieaufwand stundenlang in der Luft bleiben konnten. Wie genau sie es schafften, sich mit ihrem Gewicht und ihrer Flügelspannweite in die Luft zu erheben, ist bis heute umstritten. Während die kleineren Formen vermutlich recht gute aktive Flieger waren, konnten vermutlich auch die grossen Pterosaurier (Quetzalcoatlus) aus eigener Kraft vom Boden aus starten, benötigten dazu aber günstige Windverhältnisse. Ob der lange spitze Schnabel Zähne besass ist unklar, ebenso ob sich die Tiere am Boden zweibeinig oder vierbeinig fortbewegten. 144 4 – 20 44.3.2 Die Vögel: Physiologie, Flugtechnik und Beispiele 145 Vögel : Geschichte - Meister der Lüfte - Beispiele Zur Geschichte der Vögel Vor ungefähr 200 Millionen Jahren begann die Geschichte der Vögel. Das nebenstehende Bild zeigt das mutmassliche Aussehen des «Urvogels», dem Archeopteryx (umgezeichnet nach dem Original von Maurice Wilson in W.E. Swinton: Fossil Birds, London (1965)). Aus der in der Abbildung gezeigten Rekonstruktion ist klar ersichtlich, dass der Archeopteryx mit seinem vogelähnlichen Schädel, seinen Krallen, Flügeln, Federn und einem Gabelbein sehr einem Vogel ähnelte. Ausser den Vögeln besitzt kein anderes Tier Federn und Gabelbeine. Federn sind hochkomplexe Strukturen, die optimal für die ihnen zugedachten aerodynamischen Funktionen sowie als Wärmespeicher konstruiert sind. Fossile Funde, die als Vögel klassifiziert wurden, zeigen die Verwandtschaft von deren Vorfahren mit Reptilien. Der oben gezeigte älteste bekannte Urvogel, hatte etwa die Grösse einer kleinen Taube. Von ihm wurde ausser einer einzelnen Feder auch sieben vollständige oder teilweise erhaltene Abdrücke gefunden, die alle aus dem Oberjura (vor 157 Millionen bis 145 Millionen Jahren) stammen. Vögel findet man auf allen Kontinenten der Erde; sie können sich an fast jeden Lebensraum anpassen. Es existieren heute etwa 9000 Arten, die in scheinbar unbelebten Wüsten oder der Antarktis, in Urwäldern, Sümpfen, Felsküsten, Wäldern, Feldern und in Städten leben können. 146 4 – 21 Vögel : Habitus und Skelett Die zwei Flügel entsprechen den beiden Armen des Vogels Die Knochen sind fast hohl 147 Physiologie der Vögel - Das Skelett Längsschnitt durch den Knochen eines Vogels Um das für das Fliegen notwendige geringe Körpergewicht zu erreichen, sind die Knochen der Vögel weitgehend hohl. Allerdings ist der Grad der Pneumatisierung bei den einzelnen Gruppen unterschiedlich stark ausgebildet. Querschnitt durch einen Vogelknochen . Die Bälkchen geben die nötige Stabilität. Skelett macht nur 6 – 8 % des Körpergewichtes aus (bei Säugern 20 – 30 %) 148 4 – 22 Physiologie der Vögel - Flügel Flügel sind bei Vögeln zum Fliegen dienende Bewegungsorgane, die durch Umbildung der Vordergliedmassen entstanden sind. Beim Fliegen wird mit ihnen Auftrieb und Vortrieb erzeugt. Die Befiederung besteht aus grossen Schwungfedern und kürzeren Deckfedern. Letztere bilden bei Ober- und Unterflügeln die Flügeldecken. Die Schwungfedern sind die grössten Federn am Flügel und werden in Handschwingen und Armschwingen unterteilt. Sie greifen dachziegelartig ineinander. Bei flugunfähigen Vögeln (z.B. beim Strauss), sind die Schwungfedern meist stark reduziert. Der Zusammenhalt der Federn ist wie unten dargestellt sehr komplex. Unter dem Mikroskop erkennbar: Ineinandergreifende Haken und Bögen halten die Federn zusammen. 149 Zur Dynamik des Vogelflugs Die physikalischen Prinzipien, auf welchen das Fliegen von Flugzeugen basiert, wurde im Abschnitt 4.1 (pp 109 – 119) ausführlich diskutiert. Diese Prinzipien gelten im Wesentlichen auch für den Vogelflug: An einem gestreckten Schlagflügel (Gleitflug) entsteht der Auftrieb auf die gleiche Art und Weise wie an einem von vorne angeströmten Tragflügel. Beim Vogelflug entsteht aber eine wesentliche Komplikation durch die Dynamik der Flügel beim Flügelschlag, der es dem Vogel ermöglicht, ohne Motor und Kraftstoff zu fliegen. Auftrieb und Vortrieb werden wesentlich durch die Flügelform und durch Auf- und Abschlag der Flügel bewirkt. Beim Flügelaufschlag trifft die Luft mehr von oben und beim Flügelbschlag mehr von unten auf den Flügel. Die dabei entstehenden Kräfte sind im Bereich der Flügelwurzel klein und werden zur Flügelspitze hin grösser. Beim Flügelabschlag ist die Auftriebsverteilung insgesamt grösser als im Gleitflug und mehr zur Flugspitze hin verlagert. Durch diese Schlagbewegung entsteht zudem auf der ganzen Flügellänge eine Schubkraft. Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei einem Propellerblatt mit sehr grosser Steigung, nur dass hier die zu überwindende Propeller-Umfangskraft als Auftrieb bezeichnet und auch als solche benutzt wird. Auch bei den Insekten gibt es prinzipiell diese Flugtechnik; diese unterscheidet sich aber vor allem aufgrund der unterschiedlichen Grösse doch deutlich von den Techniken der Vögel (s. Abschnitt 4.2). 150 4 – 23 Meister der Lüfte - Rekorde aus der Vogelwelt Der schnellste Flieger: Der schnellste Vogel ist der Wanderfalke, der im Sturzflug bis zu 250 km/h erreichen kann. Seine normale Geschwindigkeit liegt zwischen 50 und 100 km/h. Die Hochflieger: Die meisten Vogelarten fliegen etwa 100 bis 2000 m über dem Boden. Zugvögel steigen jedoch häufig bis auf eine Höhe von 10’000 m hoch, beispielsweise bei der Überquerung des Himalaja. Gemessener Rekord: 11’000 m (afrikanischer Sperbergeier). Es ist erstaunlich, dass die Tiere mit dem dort knappen Sauerstoffgehalt (s. Kapitel 2, p. 30) die zum Fliegen erforderliche Muskelkraft aufbringen können. Die Langstreckenflieger: Rekordhalter im Langstreckenfliegen ist die Küstenseeschwalbe. Sie fliegt von allen Zugvögeln am weitesten. Der Vogel brütet in der Arktis und fliegt dann in die Antarktis um dort zu überwintern. Dabei legt sie hin und zurück zwischen 30’000 und 50’000 km zurück. Das entspricht etwa dem Umfang der Erde. Längster Aufenthalt in der Luft: Kein Vogel befindet sich ausdauernder in der Luft als der Alpensegler: Erstmals wurde nachgewiesen, dass er einen 200 Tage NonstopFlug zurücklegen kann. Zu den in der Luft ausdauernsten Vögel gehört auch der Mauersegler (s. Anhang 4-A-3-4). 151 Bunte Vögel Der eitle Pfau Die Mandarinente 4 – 24 152 Der Andenkondor Der Andenkondor ist eine Vogelart, die zu den Neuweltgeiern zählt. Männliche, ausgewachsene Andenkondore sind mächtige, schwarze Greifvögel mit an der Oberseite deutlich weissen bis silbern weissen Handschwingen und Deckfedern und einer weissen Halskrause, die den nackten, rötlichbraunen Kopf vom Rumpf absetzt. Sie sind bis zu 15 kg die schwersten Greifvögel und zählen zu den wenigen Vögeln, deren Spannweite über 3 m betragen kann! 153 44.3.3 Gleitflug von Fischen - 1 Gewisse Meerfische werden als fliegende Fische bezeichnet. Fliegende Fische können Sprünge aus dem Wasser in die Luft durch Selbstantrieb ausführen. Mit Hilfe ihrer langen flügelartigen Flossen sind sie in der Lage, Gleitflüge über dem Wasser entlang beträchtliche Strecken zurückzulegen. Diese ungewöhnliche Fähigkeit ist ein natürlicher Mechanismus zur Selbstverteidigung gegen Raubtiere. Es wird immer wieder beobachtet wie fliegende Fische aus dem warmen Ozeanwasser springen. Ihre stromlinienförmige Torpedoähnliche Form ermöglicht es ihnen genügend Unterwassergeschwindigkeit zu erzeugen und durch ihre grossen flügelähnlichen Brustflossen werden sie flugtüchtig. Der Prozess des Gleitens beginnt mit der Erzeugung hoher Geschwindigkeiten unter Wasser, etwa 60 km/h. In der Luft erreichen sie Höhen bis 1.2 m und sie können bis zu 200 m gleiten. 154 4 – 25 Gleitflug von Fischen - 2 Fliegende Fische leben in allen Ozeanen, hauptsächlich im warmen subtropischen Wasser. Diese Fische sind im Durchschnitt kleiner als 30 Zentimeter; die grössten von ihnen erreichen eine Länge von 45 Zentimetern. Fliegende Fische sind Knochenfische, die mit ihren flügelähnlichen Flossen gleichermassen gut für das Schwimmen im Wasser als auch für das Gleiten in der Luft angepasst sind. Das gerundete Profil der «Flügel» ist mit der aerodynamischen Form von Vogelflügeln vergleichbar. Sie können nicht mit den Brustflossen schlagen, um ähnlich wie Vögel aktiv zu fliegen. Vielmehr katapultieren sie sich mit einem Sprung aus dem Wasser und segeln kurze Strecken im Gleitflug über die Wasseroberfläche. Fliegende Fische haben aussergewöhnlich grosse, hoch am Körper angesetzte Brustflossen. Bei der Unterfamilie Cypselurinae sind auch die Bauchflossen flügelartig, so dass vier Flügel für den Gleitflug zur Verfügung stehen. Die weitesten Flugstrecken erreichen die Fische, wenn sie sehr nahe über und parallel zur Wasseroberfläche durch die Luft gleiten: In einer Höhe von 1.5 Meter gleitend können die Fische über 30 Sekunden lang in der Luft verweilen und dabei Distanzen von etwa 50 Meter weit, in Extremfällen bis zu 400 Metern zurücklegen. Die hervorragenden Flugeigenschaft der Fische rührt daher, dass deren Flossenkonfiguration aerodynamisch sehr günstige Flugströmungsverhältnisse ermöglichen, die vergleichbar mit jenen von Düsenjets sind. Gelegentlich erreichen sie bei ihren Gleitflügen Geschwindigkeiten von bis zu 70 km/h und Flughöhen von bis zu fünf Metern. 155 Gleitflug von Haien Haie sind Knorpeltiere und damit leichter als Knochenfische. Es sind weltweit etwa 500 Arten bekannt. Die meisten Haie fressen Fische und andere Meerestiere so wie Plankton. Obwohl jährlich nur etwa 5 Menschen infolge von Haiangriffen sterben, gelten die Tiere gemeinhin als kaltblütige Killer und Menschenfresser. Unter den fleischfressenden und jagenden Arten stellt der «Weisse Hai» mit einer Maximalgrösse von bis zu 7 Metern die grösste Art dar. Haie haben eine grosse ölhaltige Leber, die ihnen einen gewissen Auftrieb gewährt. Vor Südafrika haben die «Weissen Haie» eine besondere Technik für die Robbenjagd entwickelt: Die gewaltigen Tiere schiessen aus der Tiefe senkrecht nach oben und können über Strecken bis zu 200 Metern durch die Luft gleiten. Dabei setzen sie zwar mehrmals auf, tauchen aber nicht ein. Ihre Fluggeschwindigkeit beträgt bis zu 55 km/h. Der Auftrieb für den Gleitflug wird durch die leichte ölhaltige Leber und die relativ leichten Knochen begünstigt; ausserdem ist die Bewegung des Schwanzes, bzw. der unteren Schwanzflossenlappe, am Auftrieb beteiligt. 156 4 – 26 4.3.4 Gleitflug von Reptilien Die Reptilien oder Kriechtiere bilden eine Klasse der Wirbeltieren. Reptilien besitzen einen Schwanz, Hornschuppen-Haut und vier Beine (bei Schlangen und einigen Echsen zurückgebildet). Sie sind Lungenatmer. Reptilien legen Eier, gebären lebende Junge oder sind Eierlebendgebärend: im Gegensatz zu den Amphibien bilden sie kein Larvenstadium aus. Reptilien sind exotherme (auf die Zufuhr von Wärme von aussen angewiesen) und wechselwarme Tiere, die ihre Körpertemperatur so weit wie möglich von aussen her regulieren (z.B. Sonnenbaden). Einige gleitende Reptilien : Es gibt keine fliegenden Reptilien aber wenige von ihnen können gleiten • Flugdrachen (Echse) • • Geckos Gleitflug von «Flugschlangen» 157 Flugdrachen Die Flugdrachen sind eine Gattung der Echsenfamilie. Die Echsen leben auf Bäumen in den Regenwäldern Südostasiens, besonders auf den Inseln des Malaysischen Archipels und der Philippinen. Die 20 bis 26 Zentimeter langen Flugdrachen tragen an 5 bis 8 verlängerten Rippen Flughäute mit denen sie im Gleitflug von Baum zu Baum segeln können. Meistens überbrücken sie nur wenige Meter, sind aber auch zu Gleitfügen von bis zu 60 Metern Länge fähig. Die Hautsegel, wie auch der Kehlsack sind oft bunt gefärbt und werden in Ruhestellung seitlich am Körper nach hinten zusammengelegt. 158 4 – 27 Gleitflug eines Gecko Geckos sind eine Familie von Schuppenkriechtieren. Sie bevölkern seit etwa 50 Millionen Jahren die Erde und haben sich im Laufe ihrer Entwicklung weltweit ausgebreitet. Geckos sind kleine bis mittelgrosse Echsen, die zwischen 1.6 cm und knapp 40 cm gross werden können. Etwa 75 % sind dämmerungs- und nachtaktive Tiere mit dementsprechender unauffälliger Färbung. Fliegende Geckos haben Tragflächen an den Gliedmassen, dem Schwanz und den Körperseiten. In Ruhestellung dienen die Flughäute dem Insektenjäger neben seiner rindenartigen Färbung zusätzlich als Tarnung. Weiterhin besitzen sie ein Gewebe zwischen den Zehen, wodurch sie hervorragend gleiten können. 159 Gleitflug einer «Flugschlange» Fünf verwandte Natternarten in Asien schlängeln sich nicht nur über den Boden, sondern «fliegen» auch durch die Luft ! Diese Flugschlangen werden als biomechanisches Wunder betrachtet: Sie besitzen keine Flügel, sind aber trotzdem in der Lage zu «fliegen». Genau genommen gleiten sie durch die Luft. Dazu springen sie von einem Baum oder einem andern hohen Gegenstand und machen ihren Körper in der Luft flach wie ein Segel. Dann gleiten sie von einem Baum zum andern oder zum Boden. Im Flug halten die Nattern mit wellenförmigen Bewegungen ihren Körper in der Luft. Aktiv nach oben fliegen können die Flugschlangen allerdings nicht. Flugschlangen sind eine kleine Gruppe der Baumschlangen. Zu dieser Gruppe zählen nur fünf miteinander verwandte Arten, alle sind sogenannte Schmuckbaumnattern. Sie leben in Südost- und Südasien. Die ausgewachsenen Reptilien sind zwischen 60 und 120 cm lang. Wenn die tagaktiven Tiere beissen, sondern sie ein leichtes Gift ab, das allerdings nur für ihre Beutetiere wie Geckos, Frösche, Vögel oder Fledermäuse gefährlich ist. Warum diese Schlangen fliegen ist nicht bekannt. Es wird vermutet, dass sie dadurch Beute fangen oder vor Feinden fliehen können. 160 4 – 28 4.3.5 Gleitende Amphibien Unterschied zwischen Amphibien und Reptilien Amphibien sind stark abhängig vom Wasser. Sie beginnen ihr Leben als Kiemenatmer und brauchen immer einen feuchten Lebensraum, um nicht auszutrocknen. Reptilien (pp 157 – 160) sind dagegen reine Landtiere. Sie bevorzugen warme und sonnige Lebensräume. Ihre Haut besteht aus einer Schuppenschicht; manche haben sogar einen Panzer, der sie schützt. Sie müssen sich im Laufe des Jahres mehrfach heuten, da ihre Schuppenschicht nicht nachwächst. Amphibien: Definition und Allgemeines Die Amphibien oder Lurche ist die stammesgeschichtlich älteste Klasse der Landwirbeltiere. Viele Arten verbringen zunächst ein Larvenstadium im Wasser und gehen nach einer Metamorphose zum Leben an Land über. Aufgrund dieser Eigenschaft haben sie den wissenschaftlichen Namen Amphibia erhalten, was vom Griechischen herkommt und «doppellebig» heisst. Die erwachsenen Tiere bewohnen im Jahresverlauf oft sowohl aquatische als auch terrestrische Habitate; die überwiegende Zahl der Arten ist auf die Existenz von zumindest zeitweilig vorhandenen Süsswasseransammlungen (Gewässern) angewiesen. Viele Lurche sind nachtaktiv, um sich vor Fressfeinden zu schützen und Wasserverluste über die Haut gering zu halten. 161 (3) (1) (2) (1) (1) (2) (6) (5) In der obigen Abbildung werden die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Amphibien graphisch dargestellt. Ganz grob lassen sich die 21 einheimischen Amphibienarten in zwei Gruppen aufteilen: die Schwarzlurche und die Froschlurche. Die Zahl der Arten sind vom Verfasser jeweils in Klammern angegeben: so gibt es z.B. 5 Arten von Molchen, 2 Arten von Salamander, 2 Arten von Unken, 6 Arten von echten Fröschen, etc. 162 4 – 29 Fliegender Frosch Schon gewöhnliche Frösche können mit ihren langen Hinterbeinen aus der Hocke über 1 m weit springen. Der Rekord unter ihnen gehört dem australischen Raketenfrosch mit 2.27 m. Der Sprung beruht auf den langen Hebeln der Hinterbeine und seiner Muskulatur. Das ausgestreckte Hinterbein kann bei guten Springern fast doppelt so lang sein wie der Körper. In der Hocke vor dem Sprung sind die Sprungbeinhebel zusammengeklappt. Dieser Hebel wird beim Absprung schlagartig gestreckt, womit sich der Frosch in die Luft katapultiert. Doch eine bestimmte Art der Baumfrösche kann fliegen, besser gesagt gleiten. Es handelt sich um einen Baumfrosch, der in Malaysia vorkommt. Er fliegt nicht zum Vergnügen, sondern um Beute zu fangen. Es handelt sich um den sog. Wallace Baumfrosch und ist besser als andere Frösche dazu ausgerüstet, fliegende Insekten zu fangen. Er besitzt schwimmhäutige Füsse mit langen Fingern und Zähen. Wenn er ein vorüberfliegendes Insekt nicht sofort fangen kann, dann spreizt er seine Finger weit auseinander. Durch die dabei entstehende Vergrösserung der Oberfläche gleitet er rasant abwärts und kann seine Beute fangen. 163 4 - 30 4.3.6 Fliegende und gleitende Säugetiere 164 Fliegende und gleitende Säugetiere: Übersicht Fledermäuse und Flughunde 165 4 – 31 4.3.6.1 Fledermäuse Die Fledermäuse sind eine Säugetiergruppe, die zusammen mit den Flughunden die Ordnung der Fledertiere bilden. Zu dieser Sorte gehören die einzigen Säugetiere und neben den Vögeln die einzigen Wirbeltiere, die aktiv fliegen können. Weltweit gibt es rund 900 Fledermausarten. Die hier abgebildete Fledermaus heisst «Grosses Mausohr» und besitzt eine Flügelspannweite von 42 cm! In unseren Breiten wird das einzelne Tier maximal 8 cm gross. Das grosse Mausohr 166 Zur Anatomie der Fledermäuse Fledermäuse tragen ihren Namen eigentlich zu Unrecht, denn sie sind keineswegs mit den Mäusen verwandt. Fledermäuse oder besser gesagt die Handflügler, stellen eine eigene Ordnung dar. Zusammen mit den Flughunden sind sie die einzigen flugfähigen Säugetiere und bilden die Ordnung der Fledertiere. Die Hauptfortbewegungsart der Fledermäuse ist das Fliegen, zu dem sie durch den Besitz der Flughäute und verschiedene weitere Anpassungen befähigt sind. Es gibt schmalflügelige und breitflügelige Arten. Die schmalflügeligen Arten sind meistens schnelle Flieger, die vor allem in offenem Gelände leben. Ihre Fluggeschwindigkeit beträgt bis 50 km/h. Die breitflügeligen Arten sind langsame Flieger (ca. 15 km/h) und bewegen sich in strukturreichen Gegenden. 167 4 – 32 Flugtechnik: Fledermaus im Windkanal Fledermäuse haben keine Federn wie die Vögel. Sie drehen ihre Flügel in die Senkrechte, klappen sie rasch nach oben und schlagen dann mit flachen Flügeln nach unten. Die Schwanzflughaut dient dabei zum Manövrieren und zum Abbremsen. Welche Luftströmungen dabei entstehen und wie die Fledermaus diese geschickt verwenden wurde von der schwedischen Universität in Lund herausgefunden (s. Bild unten). Das Geheimnis der wendigen Flugakrobaten sind ihre elastischen und äusserst flexiblen Membranschwingen, die wie eine Hand mit Häuten zwischen den einzelnen Fingern funktionieren. Die Bewegung der Flügel einer Fledermaus im Windkanal wurde von Forschern des MaxPlank Instituts gefilmt (s. Bild links): Bei jedem Flügelschlag – und zwar bei Auf- und Abschlag – bilden sich Wirbel (die Pfeile zeigen die Wirbelströmungen; die Länge eines Pfeils gibt die Geschwindigkeit der Luftmoleküle an diesem Ort an): Beim Aufschlag rotieren diese Wirbel in der Flügelmitte und an der Flügelspitze in entgegengesetzter Richtung und führen damit zu einer Auftriebskraft am Körper und einer Abtriebskraft an den Flügelspitzen. Für die Aufnahmen mussten die Fledermäuse jedoch an einer Position im Windkanal bleiben und dort einfach die Luft an sich vorbeiströmen lassen. 168 Echo-Ortung der Fledermäuse Fledermäuse produzieren mit ihren Stimmbändern und dem Kehlkopf für uns unhörbare Rufe, die Ultraschall-Laute; man spricht von Ultraschallortung. Diese bei den meisten Arten durch den Mund ausgestossenen Laute verbreiten sich als Schallwellen in der Luft. Wenn diese auf ein Hindernis oder ein Beuteinsekt treffen, werden sie reflektiert und von der Fledermaus als Echo über die empfindlichen Ohren wahrgenommen. Ueber die Farbigkeit (Frequenzverteilung), also den Klang, weiss der «Sender» ob ein Haus oder ein Baum im Weg steht oder ein Insekt den Weg kreuzt. Mit Hilfe des Dopplereffektes (Erhöhung oder Erniedrigung der Frequenz je nach Annäherung oder Entfernung) erkennen die Tiere in welcher Richtung die Beute fliegt. weisse Wellen: von der Fledermaus ausgestrahlte Ultraschallwellen. Vom angepeilten Objekt, z.B. einem Schmetterling, werden Ultraschallwellen reflektiert. 169 4 – 33 4.3.6.2 Fliegende Flughunde Flughunde sind die grössten Fledertierarten: Der Kalong erreicht eine Flügelspannweite von bis zu 170 cm; manche Arten haben einen Kopfrumpflänge von bis zu 40 cm. Allerdings sind viele Arten kleiner; die grössten Fledermäuse sind deutlich grösser als die kleinsten Flughunde. Im Körperbau entsprechen die Flughunde den übrigen Fledertieren; die Flugmembran wird von den verlängerten zweiten bis fünften Fingern gespannt und reicht bis zu den Fussgelenken. Flughunde sind in tropischen und subtropischen Regionen in Afrika, dem südlichen Asien, Australien und dem westlichen Ozeanien verbreitet. Wie die Fledermäuse sind sie in erster Linie dämmerungs- und nachtaktiv. Bei der Nahrungssuche legen sie oft weite Strecken zurück, tagsüber schlafen sie kopfüber hängend (s. p. 171). Im Gegensatz zu Fledermäusen findet man Flughunde oft an Bäumen in exponierten Lagen hängend. Ein weiterer Unterschied zu den Fledermäusen ist das Fehlen der Echo-Ortung – ausser bei den Rosettenflughunden. Flughunde haben gut entwickelte Augen und einen ausgezeichneten Geruchssinn. Aufgrund des warmen Klimas in ihren Verbreitungsorten halten sie keinen Winterschlaf. Während die grösseren Arten oft in grossen Gruppen (bis zu 500’000 Tieren) auftreten, sind die kleineren Arten eher Einzelgänger. 170 Orientierung und Schlaf der Flughunde Orientierung: Flughunde der Gattung Pteopus orientieren sich optisch. Dämmerungssehen ist bei ihnen gut entwickelt. Ultraschallpeilung fehlt ihnen aber gänzlich. Bei der Futtersuche spielt der Geruchsinn eine wichtige Rolle. Flughunde der Gattung Rousettus besitzen neben der optischen Orientierung eine wohlausgebildete Ultraschallpegelung. Optische und akustische Orientierung ergänzen einander je nach Umständen. Mit zunehmender Dunkelheit wird von optischer Orientierung auf Ultraschallorientierung umgeschaltet. Wie schlafen Flughunde ? Tagsüber versammeln sie sich in grossen Gruppen in hohen Bäumen zu Schlafkolonien. Dort hängen sie kopfüber, eingewickelt in ihre lederartigen Flügel und warten die Nacht ab. Auch die Paarung der Flughunde findet kopfüber statt ! 171 4 – 34 Kleiner Roter Flughund Die Kleinen Roten Flughunde haben transparente Flügel und einen pelzigen Körper. Die Tiere sind Baumbewohner. Bei Tag schlafen sie in riesigen Lagern, in welchen bis zu einer Million Individuen versammelt sein können. Wie der Name verrät, sind diese Flughunde in der Nacht ausgezeichnete Flieger. Zudem hat sie ihr Leben in den Bäumen zu sehr guten Kletterer gemacht. Kleine Rote Flughunde haben sowohl einen ausgezeichnete Sehsinn als auch einen sehr empfindlichen Geruchsinn. 172 4.3.6.3 Gleithörnchen Zwischen den Vorder- und Hinterbeinen spannt sich eine Gleithaut, die wie ein Gleitschirm wirkt wenn sie von einem Ast zu einem andern Ast springt. Obwohl sie nicht wirklich fliegen können, werden sie auch Flughörnchen genannt. Der Schwanz ist immer lang, breit und buschig und dient als Steuer beim Gleitflug. Auf diese Weise können Gleithörnchen Strecken bis zu 50 m zurücklegen. Bei den Riesengleithörnchen wurden im Einzelfall und unter günstigen Bedingungen sogar 450 m gemessen. Um an einem senkrechten Stamm unterhalb der Krone zu landen, hebt das Gleithörnchen den Schwanz und die Arme an und richtet auf diese Weise seinen Körper in der Luft fast senkrecht auf. Dies bremst die Gleitgeschwindigkeit stark ab und ermöglicht dem Tier eine sanfte Landung mit dem Kopf nach oben. Gleithörnchen an Baumstamm 173 4 – 35 Gleithörnchen «fliegend» 4.3.6.4 Gleitende Lemuren Fliegende Lemuren fliegen nicht wirklich, sondern sie gleiten bis zu 130 m durch den Wald. Sie erklettern mühsam Bäume, da sie durch ihre zusammengefalteten Flugmembranen behindert sind. Oben angekommen, springen sie ab und gleiten dann zum nächsten Zielbaum und lassen sich von dort aus tiefer fallen. Dann geht es zum nächsten Baum und der mühsame Aufstieg beginnt von neuem. Gleitende Lemuren sind hauptsächlich nachtaktiv, da ihre akrobatischen Flüge zu viel Aufmerksamkeit bei den Jägern erwecken würde. Für die weiblichen Lemuren ist das Gleiten besonders anspruchsvoll, da sich die Jungen während des Flugs am Bauch der Mutter festhalten. Bemerkung: Gleitende Lemuren sollten nicht mit den Riesengleiter (p. 4-A-3-5) verwechselt werden. Lemur klettert auf den Baum 174 4 – 36 Gleitender Lemur 4.4 Gleit – und Flugversuche von Menschen 175 4.4.1 Der Traum und der Mythos vom Fliegen Das Fliegen wurde in der Antike oft als Attribut und Privileg der Götter angesehen. Auch dort, wo Götter oder übersinnliche Wesen nicht mit Flügeln dargestellt werden, zählt die Fähigkeit zu fliegen zu ihren Eigenschaften. Die indische Mythologie kennt Bilder von fliegenden göttlichen Streitwagen (Vimanas), wie sie etwa in dem Epos Ramayana zu finden sind. Eine der frühesten Erwägungen des Traums vom Fliegen eines Menschen findet sich in einer Legende über den chinesischen Kaiser Shun (2258 – 2208 v. Chr.), in der dieser Kaiser lernte, wie ein Vogel zu fliegen, um aus seiner Gefangenschaft zu entkommen Ikarus und Dädalos (Griechische Mythologie) Wachs und Federn Ikarus und Dädalos wurden als Strafe für eine Ungehorsamkeit von König Minos im Labyrinth des Minotaurus auf Kreta gefangen gehalten. Zur Flucht erfand Dädalus Flügel für sich und seinen Sohn. Dazu befestigte er Wachs mit Federn an einem Gestänge. Sie stiegen erfolgreich in die Luft aber mit zunehmender Höhe wurde Ikarus übermütig und stieg noch höher, sodass die Sonne den Wachs der Flügel zum Schmelzen brachte und er ins Meer abstürzte und ertrank. 176 4 – 37 Der Schneider von Ulm Albrecht Ludwig Berblinger (1770 – 1829), bekannt als der «Schneider von Ulm», war ein deutscher Erfinder und Flugpionier. Er wurde durch die Konstruktion eines (flugfähigen) Hängegleiters bekannt, mit dem er die Donau überfliegen wollte. Der Gleitflug von der Ulmer Adlerbastei im Jahre 1811 misslang aber und er stürzte in die Donau ab. Er war wohl der erste Mensch, dem vor diesem fatalen Versuch kurze Gleitflüge gelangen. Sein erster öffentlicher Flug vor 200 Jahren vor grossem Publikum misslang aber kläglich. Dieser Fehlschlag zerstörte sein Leben. Inzwischen weiss man: Der wagemutige Flugpionier war einfach an einer ungünstigen Stelle gestartet. Berblinger wurde erst im letzten Jahrhundert rehabilitiert: Man beschäftigte sich mit den thermischen Verhältnissen an der Adlerbastei. Es zeigte sich, dass über dem kalten Wasser des Flusses auch bei wärmstem Wetter Abwind herrscht. Wegen der senkrechten Stadtmauer entwickelt sich Gegenwind nicht zum Aufwind, sondern zum Wirbelwind. Diese ungünstigen Windverhältnisse waren für seinen Misserfolg verantwortlich. 177 Der Luftfahrtpionier Otto Lilienthal Karl Wilhelm Otto Lilienthal (1848 – 1896) war ein deutscher Ingenieur und Luftfahrtpionier. Nach heutigem Wissen war er der erste Mensch, der erfolgreich und wiederholbare Gleitflüge mit einem Hängegleiter absolvierte und dem Flugprinzip «schwerer als Luft» damit zum Durchbruch verhalf. Seine experimentellen Vorarbeiten führten zur bis heute gültigen physikalischen Beschreibung der Tragfläche. Die Produktion des «Normalsegelapparates» in seiner Maschinenfabrik in Berlin war die erste Serienfertigung eines Flugzeugs. Sein Flugprinzip war das des heutigen Hängegleiters und wurde von den Gebrüdern Wright zum Prinzip des Flugzeugs weiterentwickelt. Die Brüder Otto und Gustav Lilienthal hatten erkannt, dass der Flügelform eine wichtige Bedeutung zukam: Sie erkannten, dass gewölbte Tragflächen einen grösseren Auftrieb liefern als ebene. Die charakteristische Flügelform der Vögel war auch anderen Flugtechnikern nicht entgangen, aber die Lilienthals haben sie erstmals mit exakten Messungen verbunden. Zur Berechnung des Auftriebs verwendeten sie die Beziehung (4.1.15) auf unserer Seite 119. Die sensationellen Flugfotographien erschienen in wissenschaftlichen und populären Veröffentlichungen vieler Länder. 178 4 – 38 Zum Fluge bereit Lilienthal : «Vom Schritt zum Sprung, vom Sprung zum Flug» An den praktischen Flugversuchen nahm sein Bruder Gustav nicht mehr teil. Deshalb ist der erste Menschenflug heute ausschliesslich mit dem Namen Otto Lilienthal verbunden, wenngleich sein Bruder an den Vorbereitungen beteiligt war. Originalgleiter im «National Air and Space Museum in Washington Fotos von Gleitversuchen von Otto Lilienthal mit Flugweiten bis 250 m. Lilienthal baute mindestens 21 Flugapparate und führte mehr als 2’000 Flugversuche durch. Am 9. August 1896 stürzte er bei Stölin am Gollenberg aus etwa 15 m Höhe aufgrund einer «Sonnenbö» (einer thermischen Ablösung), deren Aussteuerung ihm nicht gelang, ab. Zum Unfall dürfte beigetragen haben, dass Lilienthal seine Flugdistanzen immer wieder zu vergrössern suchte, Er starb entweder infolge einer Halswirbelfraktur oder einer Hirnblutung. 179 Der beschädigte Flugapparat 4.4.2 Die ersten Gleit- und Flugapparate Dle Brüder Wright, Wilbur Wright (1867–1912) und Orville Wright (1871–1948) aus Dayton, Ohio, waren USamerikanische Pioniere der Luftfahrt, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts erste Flüge mit Gleitflugzeugen und dann gesteuerte Flüge mit einem von einem Motor angetriebenen Flugzeug durchführten. Wie Lilienthal benutzten auch die Brüder Wright die Beziehung für den Auftrieb (bei uns Glg. 4.1.15, p. 119) aber mit einem korrigierten Koeffizienten. Sie erkannten auch, dass Lilienthal’s Absturz die Folge mangelnder Flugsteuerung (Steuerfähigkeit seines Apparates) war. 1899 begannen die Brüder mit dem Bau des ersten Flugapparates, einem Doppeldecker-Gleitapparat. Er besass bereits ein äusserst wichtiges Merkmal: die Verwindung der Tragflächen, mit welcher die waagrechte Lage des Apparates kontrolliert werden konnte. Nach verschiedenen, zuerst unbemannten, dann bemannten Testflügen in den Jahren 1901 bis 1903 folgten zahlreiche Gleitflüge mit den DoppeldeckerGleiter, allein 1902 über 1’000, der längste über s=189.7 m bei t=26 s Flugzeit, also =s/t ≈ 7.3 m/s = 26.3 km/h. Gleiter : 1902 180 4 – 39 Doppeldecker – Motorflugzeuge Am 17. Dezember 1903 starten Orville und Wilbur Wright ihren «Flyer», ein zerbrechlich wirkendes Doppeldecker-Motorflugzeug aus Holz, Draht und Stoff. Die Wrights schnitten einen Propeller mit einem hohen Wirkungsgrad und liessen sich ein geeignetes Triebwerk herstellen, ein 81 kg schwerer, wassergekühlter Vierzylinder-Viertakt Benzinmotor, der 12 PS abgab. Zur Kompensation der Momente erhielt der Flugapparat zwei gegenläufige Luftschrauben mit geeignetem Antrieb. Das Motor-Flugzeug war 12 Sekunden lang in der Luft und legte dabei 37 m zurück (11.1 km/h). Die Geschwindigkeit konnte auf 16 km/h gesteigert werden. Die Flugmaschine hatte 12.3 m Spannweite, war 6.4 m lang und 2.8 m hoch; ihr Fluggewicht betrug 340 kg und der Pilot lag unverändert auf der unteren Tragfläche. Gebrüder Write : Power Flyer 1905 181 Charles Lindbergh : Allein über den Atlantik Charles Lindbergh (1902 – 1974) war ein USamerikanischer Pilot und Träger der «Medal of Honor». Ihm gelang am 19. - 21. März 1927 die erste Alleinüberquerung des Atlantiks von New York nach Paris. Die zurückgelegte Strecke war 5’805.5 km, wozu er 33.5 Stunden brauchte, Sein Flugzeug hatte nur einen Motor mit 223 PS. Die Durchschnittsgeschwindigkeit war 173 km/h, die Höchstgeschwindigkeit betrug 220 km/h. Aus Gewichtsgründen hatte Lindbergh zugunsten maximaler Treibstoffladung auf Funkgerät und Sextant verzichtet und war deshalb nur auf Armbanduhr, Karten und Kompass angewiesen. Grösste Probleme bereiteten ihm ein Schneesturm bei Neufundland, das er nach New York und Nova Scotia überflog, sowie die Ueberwindung der Müdigkeit auf seinem Weg von Südirland nach Südengland auf den europäischen Kontinent. Die Navigation gelang ihm allerdings besonders gut, denn als er die Küste von Irland erreichte, war er nur 5 km vom Kurs. Er flog dann an der Küste von England entlang, überquerte den Ärmelkanal und erreichte Frankreich. In Paris wurde er von einer jubelnden Menschenmenge empfangen. 182 4 – 40 Charles Lindbergh, 1927 Lindbergh mit Maschine «Spirit of St. Louis» 44.4.3 Das Luftschiff von Ferdinand Graf von Zeppelin Das Prinzip des Luftschiffes ist einfach: Gefüllt mit einem Gas, das leichter als Luft ist, erhält es Auftrieb und gleitet, von motorengetriebenen Propellern, voran. Der grösste Zeppelin, der je gebaut wurde, war das gigantische Luftschiff LZ 129 «Hindenburg». Es war 245 m lang (!), hatte einen maximalen Durchmesser von 41.2 m und war mit 200’000 m3 Wasserstoff gefüllt. Als Gas kann auch das sichere Helium verwendet werden. Der LZ 129 wurde mit 4 Dieselmotoren angetrieben (totale Leistung 4200 PS, maximale Geschwindigkeit 130 km/h, Reisezeit von Frankfurt nach New York: 2 ½ - 3 Tage). Bei der letzten Fahrt am 6.5.1937 fing die «Hindenburg» bei der Landung in Lakehurst bei New York Feuer und ging in Sekunden in Flammen auf. Bei dieser Hindenburg-Katastrophe waren 97 Personen an Bord, von denen aber 62 Leute das Unglück überlebten. Graf Zeppelin (1838 – 1917) Tragischer Flug des Zeppelins «Hindenburg» von Friedrichshafen nach Lakehurst (bei New York) Aufstieg von Zeppelin «Hindenburg» LZ 129 in Friedrichshafen Die Katastrophe des Zeppelin «Hindenburg» (6. Mai 1937) 183 4.4.4 Das Segelflugzeug Ein Segelflugzeug ist ein für den Segelflug, also für motorloses Fliegen (Steigen im Aufwind bzw. Gleiten mit geringem Höhenverlust) konstruiertes Luftahrzeug. Um fliegen zu können, muss es Höhe (potentielle Energie) in Vorwärtsgeschwindigkeit (kinetische Energie) umwandeln. Dazu muss das Segelflugzeug in geeigneter Weise gestartet werden. Eine Möglichkeit besteht im Starten mit einem Flugzeugschlepper (s. Figur unten links). Dabei wird das Segelflugzeug von einem motorisierten Leichtflugzeug in die Luft gezogen. Die Höhe, bei der das Segelflugzeug ausklinkt, liegt üblicherweise zwischen 500 m und 1500 m. Daneben gibt es andere Startarten (s. Referenz R.4.4.7). Moderne Segelflugzeuge haben ein Gleitverhältnis zwischen 1:30 und 1:60, d.h. sie können bei 1 km Höhenverlust in ruhiger Luft 30 bis 60 km weit fliegen. Um gute Segelflugeigenschaften erbringen zu können, muss ein Segelflugzeug sehr widerstandsarm gebaut sein. Flugzeugschlepper mit Segelflugzeug 184 4 – 41 Segelflugzeug im Gleitflug Hochleistungs - Doppelsitzer 4.4.5 Strahltriebwerke (Düsentriebwerke) von Flugzeugen Der Antrieb von Düsenflugzeugen (z.B. Boeing 747) beruht auf dem Rückstossantrieb. Danach bewirkt ein schnelles Ausstossen von Verbrennungsgasen in der einen Richtung eine Rückstoss in der entgegengesetzten Richtung. Stösst also ein Triebwerk den Abgasstrahl – eine Masse von verbranntem Treibstoff – mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach hinten aus, dann wird das gesamte System nach vorn beschleunigt. [Tintenfische benutzen das gleiche Prinzip der Impulserhaltung für ihre Fortbewegung (s. p. 4-A-2-2)]. Einige Daten der Boeing 747 - 81 Länge 76.30 m Spannweite 68.50 m Tragflügelfläche 534 m2 Leitwerkspannweite 22.17 m Höhe 19.40 m Rumpfhöhe 7.85 m Kabinenbreite (innen) 6.1 m Kabinenhöhe 2.54 m Flugreichweite 14’815 km Geschwindigkeit auf etwa 10’700 m Höhe
913 km/h Startgeschwindigkeit ca. 300 km/h (*) maximale Startmasse 447’700 kg maximale Sitzplatzanzahl 605 durchschnittliche Sitzplatzanzahl 467 Besatzung (Cockpit) 2 Auslieferung 2013 - 215 Zahl der Bestellungen bis 2013: ca. 33 (*) je nach Startgewicht, Wetter und Höhe der Startbahn ü.M. Boeing 747 – 81 (ab 2012 in Betrieb) Turbine Brennkammer Verdichter Fan Das Luftstrahltriebwerk saugt die Umgebungsluft ein und komprimiert sie zur Erhöhung des Druckes in einem Verdichter. In der nachfolgenden Brennkammer wird der Treibstoff (Kerosin) eingespritzt und diese Mischung verbrannt. Die Verbrennung erhöht die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit. Die dem Gas zugeführte Strömungsenergie wird dann in der dahinter folgenden Turbine teilweise in Drehbewegung umgesetzt, wobei das Gas noch weiter expandiert (die Turbine entzieht also Energie). Die Turbine dient als Antrieb des Verdichters, des Fans und anderer Aggregate. Das Gas expandiert in die hinter der Turbine liegende Schubdüse auf fast Umgebungstemperatur, wobei die Strömungsgeschwindigkeit weiter gesteigert wird. In der Schubdüse wird durch das ausströmende Gas die eigentliche Vortriebskraft, der Schub (Rückstoss) des Kerntriebwerkes erzeugt. Einlauf Luftstrahltriebwerk Schubdüse 185 ein aus Gesamtschub (Rückstoss) Geschwindigkeit Temperatur Druck (Weitere Informationen: s. Angang 4-A-4-1) 186 4 – 42 Abschätzung der Take-off Geschwindigkeit der Boeing 747 - 81 Aus Gleichung (4.1.15), p. 119, für den Auftrieb: Fat = (1/2) CA A ρ u2 , folgt für die Geschwindigkeit u u = [2 Fat / (CA A ρ)]1/2 (4.4.1) Für die Abhebung muss die Kraft Fat ≥ M g = Gewicht des Flugzeugs (M = Masse des Flugzeugs mit Kerosin und Passagieren, g = 9.81 m/s2 = Erdbeschleunigung) sein. Dann ist u ≈ utake-off die take-off oder Abhebe-Geschwindigkeit des Flugzeugs: utake-off ≈ [2 M g / (CA A ρ)] (1/2) (4.4.2) Für die Boeing 747–81 setzen wir M ≈ 400’000 kg (mit Kerosin + Passagieren, s. p. 185). Der Auftriebskoeffizient CA hängt vom Anströmwinkel a (angle of attack) ab. Gemäss Ref. (R.4.4.10 a) setzen wir CA = 2par , wobei ar der Anströmwinkel (angle of attack, s. p. 117) im Bogenmass, ar = (p/180)*ad und ad der Winkel in DEG ist. Die obige Beziehung für CA ist eine Näherung für ad ≤ 130. Für ad setzen wir ad = 13o d.h. ar = 0.227 und damit CA = 1.426. Für die Boeing 747–81 ist die totale Tragfläche A = 534 m2 (s. p. 185). Die Dichte der Luft ist r ≈ 1.204 kg/m3 bei 200C. Daraus folgt aus Glg. (4.4.2): utake-off = 92.5 m/s = 333 km/h. Diese Geschwindigkeit entspricht bis auf 11% der approximativen Abhebegeschwindigkeit von 300 km/h für die Boeing 747–81 (s. p. 185). 187 Take-off der Boeing 747 - 81 4.4.6 Der Hubschrauber - Allgemein Scheizer Helikopter - gelandet Ein Hubschrauber ist ein senkrecht startendes und landendes Luftfahrzeug, das Motorkraft auf einen oder mehrere Rotoren für Auftrieb und Vortrieb überträgt. Diese arbeiten als sich drehende Tragflächen oder Flügel, weshalb Hubschrauber zu den Drehflüglern zählen. Die rotierenden Rotorblätter erzeugen durch die anströmende Luft einen dynamischen Auftrieb. Wie bei den Tragflächen eines Flugzeuges ist dieser abhängig vom ihrem Profil, dem Anstellwinkel und der Anströmungsgeschwindigkeit der Luft. Scheizer Helikopter im Flug Dem Hubschrauber liegen somit die gleichen physikalischen Prinzipien zugrunde, die auch für ein Flächenflugzeug gelten, nur dass sich bei einem Hubschrauber die Tragflächen um die Rotorachse drehen, und der Hubschrauber dadurch auch auf der Stelle schweben kann. Dass ein Flugzeug fliegen kann, lässt sich durch das Rückstoss-Prinzip erklären: Die Tragflächen beschleunigen Luftmasse nach unten und erzeugen dadurch einen Auftrieb. Beim Hubschrauber wird dies besonders deutlich, wenn die «Tragflächen» im Schwebeflug auf der Stelle kreisen. 188 4 – 43 Zur Physik des Hubschraubers Beim Hubschrauber beschleunigen die sich drehenden Rotorblätter die Luft von oben nach unten. Dies geschieht indem bei allen Rotorblättern der Anstellwinkel a gleichzeitig erhöht wird. (Der Anstellwinkel a ist der Winkel zwischen der anströmenden Luft und der Profilsehne des Rotorblattes). Dadurch wird die Luft ähnlich wie bei einem Ventilator nach unten «geblasen», der Auftrieb wird erhöht und der Helikopter beginnt zu steigen. Damit sich der Helikopter nach vorne bewegt, muss «nur» die Rotorebene nach vorne geneigt werden, sodass der Luftstrom durch den Rotor leicht nach hinten geblasen wird. a Vortrieb 189 Nach dem Gesetz von Actio = Reactio wird der Rumpf des Helikopters entgegen der Drehrichtung des Rotors gedreht. Um dies zu verhindern, wird bei den meisten Hubschraubern ein senkrecht drehender Rotor, der Heckrotor angebracht, welche dieses Drehmoment ausgleicht. Mit diesem Heckrotor kann der Helikopter im Schwebeflug um die Hochachse gesteuert werden. Konstruktionen mit zwei gegenläufig drehenden Hauptrotoren erzeugen kein resultierendes Drehmoment, was aber zu einem Auftriebsverlust führt. 189 4 – 44 Anhang - Kapitel 4 4-A-0 Grundgleichungen der Aerodynamik Navier – Stokes Gleichungen Die Navier–Stokes Gleichungen sind die allgemeinsten und grundlegensten Gleichungen für viskose und wärmeleitenden Fluide (Gase, Flüssigkeiten). Es handelt sich um ein System von gekoppelten nichtlineare Differentialgleichungen, welche durch Anwendung der Newton’schen Bewegungsgleichung auf ein Fluid-Element hergeleitet wurde. Diese Gleichungen sind sehr kompliziert und werden numerisch gelöst . Euler – Gleichungen Die Euler-Gleichungen sind ein partielles Differentialgleichungssystem 1. Ordnung, das sich als Sonderfall der Navier-Stokes Gleichungen ergibt, falls die innere Reibung (Viskosität) und die Wärmeleitung vernachlässigt werden. Die Euler-Gleichungen werden normalerweise ebenfalls numerisch gelöst . Die Bernoulli Gleichung Im Falle stationärer Strömungen kann man die Euler-Gleichung im Raum integrieren und erhält daraus die Bernoulli-Gleichung, die in der gesamten Strömung gültig ist. Im Spezialfall für inkompressible homogene Fluide mit konstanter Dichte r erhält man, falls die Schwerkraft die alleinige Kraft ist: p + r g z + (1/2) r v2 = p0 = const, Dabei ist p der hydrostatische Druck, p0 der Gesamtdruck, r die Dichte des Fluids (Luft), v die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objektes bzw. des Fluids und der Term (1/2)*r*v2 ist der hydrodynamische Druck oder Staudruck, g ist die Erdbeschleunigung und z eine Bezugsebene mit gleicher geodätischer Höhe (pp 4-A-1-3, 4-A-1-4). 4-A-1-1 4 – 45 Kräfte auf Fluidteilchen einer Stromlinie z stationäre Strömung entlang einer Stromlinie s(x,z) q g dG = g dm n s dV = dA ds : Volumenelement p = Druck ; p dA = Kraft dm = Masse in dV g = Erdbeschleunigung dG = Gewicht = g dm von dV u = Geschwindigkeit von dm a = Beschleunigung von dm FN = dm a = Newton-Kraft auf dm ds dz q dx x 4-A-1-2 Herleitung der Bernoulli - Gleichung Es sei dm die Masse im Volumenelement dV = dA ds der betrachteten Stromlinie (s. Figur, p. 4-A-1-2). Ist u(s) = ds/dt die Geschwindigkeit von dm , dann gilt für die Beschleunigung a von dm : a = du/dt =(du/ds) (ds/dt = u (du/ds) (1) und die Newton’sche Kraft ist FN = dm a = dm u (du/ds) . (2) Es sei dV = dA ds das betrachtete Volumenelement und r = dm/dV die Dichte des Fluids an der Stelle s. Für ein isothermes Fluid und bei Vernachlässigung der Reibung setzen sich die äusseren Kräfte Fext aus den Druckkräften und der Gewichtskraft dG zusammen: aus der Figur folgt: Fext = p dA - (p + dp) dA - dG sin(q). Aus Fext = FN folgt p dA - (p + dp) dA - dG sin(q) = dm u (du/ds) (3) Mit dG = g dm, dm = r dV = r dA ds und sin(q) = dz/ds folgt dG sin(q) = r g dA ds (dz/ds) Durch Einsetzten von (4) in (3) und aus u du = (1/2) dp + (1/2) r d(u2) d(u2) (4) folgt nach Vereinfachungen + r g dz = 0 (5) Ist r unabhängig von p (inkompressibles Fluid), dann folgt nach Integration der Satz von Bernoulli: p + (1/2) r u2 + r g z = const. (6) oder p1 + (1/2) r u12 + r g z1 = p2 + (1/2) r u22 + r g z2 4-A-1-3 4 – 46 (6a) Zur Physik des Fliegens Zunächst bildet sich eine Parallelströmung aus (1). Bei höheren Geschwindigkeiten entstehen Wirbel, die zu einer Zirkularströmung führen (2a / 2b). Diese wiederum überlagert die Parallelströmung, so dass die Luft oberhalb der Tragflächen schneller wird und unterhalb langsamer. Dies führt zu Unterdruck über dem Flügel und dies zu Auftrieb (3). 1. 2a. 3. 2b. Unterdruck Überdruck Parallelströmung Anfahrtwirbel Zirkularströmung Überlagerung Diese Erklärung ist stark vereinfacht: Es gibt verschiedene Arten von Flugzeugen mit völlig unterschiedlichen Tragflächen . Auch auf Fälle wie den Überschallflug und den Flug von Raketen trifft diese Erklärung nicht zu. Ausserdem gibt es noch einige andere Faktoren, die bei der Physik des Fliegens eine Rolle spielen. Dazu zählen z.B. Randwirbel und der Anstellwinkel der Flügel. 4-A-1-4 Heuristische Herleitung der Reynolds – Zahl Re Im Zusammenhang mit p. 127 (kleinstes fliegendes Insekt) und anderer in der Luft sich bewegenden Körper betrachten wir ein Objekt, das in eine eindimensionale Strömung in x-Richtung mit der Geschwindigkeit v = dx/dt eingetaucht ist: Die Reynolds-Zahl Re (s. p. 127) ist das Verhältnis von Trägheitskraft FT und der auf das Objekt entgegengesetzt wirkenden Reibungskraft FR, Re = FT / FR (a) Trägheitskraft : FT = m b = m (dv/dt) = (r V) (dv/dt) = (r L3) (dv/dt) (m = Masse , r = Luftdichte , V ≈ Reibungskraft : L3 , L = charakteristische Länge des Objektes) FR = [r n (dv/dz] A = [r n (dv/dz)] L2 (n = kinematische Viskosität, [n] = L3) m2/s]; (b) (c) dv/dz = Änderung von v in z-Richtung (dv/dt)] / [(r n ) (dv/dz)] L2] = ( L/n) (dz/dt) Daraus folgt : FT/FR = [(r Mit dz/dt = (dz/dx) (dx/dt) = (dz/dx) v ergibt sich FT/FR = (L / n) v (dz/dx) (d) (e) (f) Da dz/dx nur ein Längenverhältnis darstellt, folgt mit dz/dx ~ L/L = 1 bei geometrisch ähnlichen Objekten : Re = FT/FR = (v L) / n (g) Führt man die dynamische Viskosität h = r n ein [[h] = N s/m2 = kg/(m s)] dann folgt aus Gleichung (g) für die Reynolds-Zahl : Re = (r / h) L v 4-A-2-1 4 – 47 (h) Beispiele von Reynoldszahlen fliegender Tiere und in der Technik v (m/s 1 Die Figur zeigt die Reynoldszahlen Re verschiedener Klassen (Insekten, Vögel, Modellflugzeuge, Windturbinen , Flugzeuge, etc.) als Funktion der Geschwindigkeit v. Dabei sind Re- Zahlen der kleinsten Insekten wie z.B. der Zwergwespen nicht eingezeichnet. Man beachte die logarithmische Skala der Reynoldszahl und die von P. Brüesch beigefügte entsprechende Numerus-Skala. 101 102 103 104 105 106 107 108 109 Während Fledermäuse und Vögel mit Re- Zahlen zwischen 104 und 106 fliegen, bewegen sich die meisten Insekten von Re ≈ 104 bis in den Zehnerbereich . Re von 104: Grössere Insekten wie Libellen und Schwärmer fliegen bei Re- Zahlen um 104. Re von 104 bis 102: Die meisten mittelgrossen Insekten fliegen in diesem Re- Bereich. Re unter 102: Das grosse Heer der Kleininsekten, die nur wenige Milligramm wiegen, fliegt bei Re-Zahlen im Zehnerbereich (in Figur nicht enigezeichnet). Bei diesen Tieren beherrschen die viskosen Zähigkeitskräfte den Flug. W. Nachtigall, ein Pionier des Tierfluges formuliert die Situation für diese Winzlinge anschaulich: «Für sie ist Luft wie ein «zäher Honig», indem sie herumrudern wie die Wasserflöhe im Wasser». Beispiel: Zwergwespen sind die kleinsten Insekten überhaupt; die Männchen der Art Dicopomorpha echmepterygis haben eine Länge von nur 0.15 mm. Mit ihren paddelförmigen reduzierten Vorderflügeln sind sie keine guten Flieger, sondern werden hauptsächlich durch den Wind verbreitet. Im Folgenden nehmen wir an, dass sie bei völliger Windstille fliegen und schätzen ihre Reynoldszahl Re ab (s. p. 127). Wir setzen L = 0.15 mm (Weibchen); r = 1.204 kg/m3 (Luft bei 200C); h = 18 x 10-6 kg m-1 s-1; es sei v = 1 cm/s = 0.01 m/s. Daraus folgt: Re ≈ 1. 4-A-2-2 Geschwindigkeit v als Funktion der Reynolds – Zahl Re Reynolds – Gesetz: u = (h / r L) x Re ; mit r = 1.204 kg/m3 = Dichte der Luft bei 20 0C , L = 1.5 mm ; h = 18 x 10-6 kg m-1 s-1 dann folgt: v ≈ 10-2 x Re m / s Annahme: Re = 100 = 1  v ≈ 0.01 m / s = 1 cm / s 4-A-2-3 4 - 48 (s. Figur). Gleitende Tintenfische: z.B. Kalmare und Kraken Tintenfische gehören zu den wirbellosen Weichtieren und sind Kopffüssler mit 8 oder 10 Beinen. Sie sind ausnahmslos Räuber und die meisten sind äusserst schnelle Schwimmer. Kalmare und Kraken sind Teilgruppen der Tintenfische; Kalmare sind zehnarmige, Kraken sind achtarmige Tintenfische. Auf der Flucht im Wasser verwenden die Tintenfische das Rückstossprinzip: Sie drücken das Wasser aus ihrer Mantelhöhle durch einen Trichter nach aussen und entfliehen mit dem Rückstoss. Tintenfisch im Wasser Einige Arten schaffen es, mit dieser Antriebstechnik aus dem Wasser zu entweichen und eine Strecke von etwa 30 bis 50 Metern dicht über der Wasseroberfläche zu gleiten. Mit ihrem Düsenantrieb erreichen sie dabei eine Geschwindigkeit bis zu 11.2 Meter pro Sekunde! Man beachte wie der Tintenfisch während des Gleitens eine aerodynamisch günstige Form angenommen hat. 4-A-2-4 Gleitender Tintenfisch Die fünf Klassen der Wirbeltiere Tiere mit Wirbelsäulen Fische Vögel Reptilien Amphibien Säugetiere 4-A-3-1 4 - 49 Der Vogelzug Als Vogelzug bezeichnet man den alljährlichen Flug der Zugvögel von ihren Brutgebieten zu ihren Winterquartieren und wieder zurück. Oekologische Ursachen: jahreszeitlich extrem unterschiedliches Nahrungsangebot in den Brutgebieten. Als Insektenfresser finden sie im Winter keine Insekten und grosse Vogelpopulationen würden deshalb im Winter zugrunde gehen. Genetische und physiologische Ursachen: Ob ein Vogel zieht, wohin er zieht und wann bei ihm die Zugunruhe einsetzt, ist genetisch festgelegt. Sowohl die Flugrichtung als auch die Flugdauer ist angeboren. Orientierung: Der innere Kompass ist vermutlich die Folge von Magnetfeld-Rezeptoren im Auge, mit deren Hilfe die Vögel den Neigungswinkel des Erdmagnetfeldes wahrnehmen können. Vögel können sich ferner anhand des Sternhimmels orientieren. Den Sonnenstand können die Vögel auch bei bewölktem Himmel dank ihrer Fähigkeit, UV-Licht wahrzunehmen, erkennen. Vogelzug und Stoffwechsel: Ernährung aus vor dem Vogelzug angelegter Nahrung. Sie greifen sogar auf die Eiweisse ihrer inneren Organe zurück. 4-A-3-2 Zugvögel: Stare auf Flug ins Winterquartier 4-A-3-3 4 - 50 Alpensegler - Weltrekord im Dauerfliegen Alpensegler Mauersegler Auch Vögel müssen zwischendurch landen, um zu fressen und sich zu erholen. Eine Ausnahme machen Segler, die perfekt an das Leben in der Luft angepasst sind. Sie ernähren sich von fliegenden Insekten, die sie im Flug fangen. Lange wurde vermutet, dass sie nicht einmal zum Schlafen, sondern die Nacht hoch oben im Himmel verbringen. Der beste Hinweis für dieses rastlose Leben waren Radarbilder, die nachts Mauersegler (Bild rechts) in grosser Höhe zeigten. Jetzt haben Forscher der Schweizerischen Vogelwarte Sempach erstmals nachgewiesen, dass der nahe verwandte Alpensegler (Bild links) mehr als 6 Monate ununterbrochen in der Luft bleiben kann. Nach der Brutzeit im Jahre 2011 haben die Forscher (u.a. F. Liechti) Alpensegler mit sog. «Geolocatoren» ausgestattet. Dieses in Zusammenarbeit mit der Berner Fachhochschule Burgdorf entwickelten rund 1 g leichten technischen Meisterwerks wird während eines Jahres die Helligkeit in der Umgebung des Vogels gemessen und gespeichert. Daraus lässt sich die Tageslänge und damit auch die geographische Position des Vogels berechnen. Mit diesen Sensoren konnte auch bestimmt werden ob der Vogel mit den Flügeln schlägt oder nicht. Mit dem Geolocator auf dem Rücken flogen die Alpensegler in ihre Winterquartiere (mehrheitlich in Afrika), verbrachten dort die kalte Jahreszeit und kehrten im Frühling wieder in die Schweiz zurück. Das Instrument zeigte, dass die Vögel auf dem Hinzug und im Winterquartier ununterbrochen in der Luft waren ! 4-A-3-4 Riesengleiter (Colugo) Riesengleiter sind etwa katzengross aber deutlich leichter gebaut. Je nach Art beträgt die Gesamtlänge 56 bis 69 cm bei einer Kopf-Rumpf-Länge von 34 bis 42 cm. Gewicht: 1 bis 1.74 kg; Spannweite: 70 bis 120 cm. Riesengleiter leben in Südostasien. Der Gleitflieger besitzt eine Flughaut, die fast den ganzen Körper bis hin zu den spitzen Krallen bedeckt. Durch Spreizung der Vorder- und Hinterglieder kann er die dünne Flughaut wie einen Fallschirm öffnen. Die Flughaut lässt sich jedoch nicht bewegen, deshalb ist der Gleitflieger kein aktiver Flieger. Riesengleiter sind vorwiegend nachtaktive Baumbewohner und kommen nur selten auf den Boden. Den Tag verbringen sie in Baumhöhlen oder an Ästen und Baumstämmen in Höhen von 25 bis 50 Metern. Erst bei Eintritt der Dämmerung wird er in der Regel aktiv. Die Gleitflüge betragen in der Regel 50 bis 70 m, maximal bis 136 m. Riesengleiter am Baumstamm Riesengleiter im Gleitflug mit aufgespannter Flughaut im Anflug zum nächsten Baum 4-A-3-5 4 - 51 Alfred Hitchcock - Die Vögel Die übergeordnete Frage ist: Weshalb greifen die Vögel an? Der Grund dafür liegt in der langen Geschichte der Menschheit während welcher Vögel und andere Tiere getötet wurden. Deshalb werden nun die Menschen plötzlich die Opfer der Angriffe der Vögel. «Die Vögel» bedeutet, dass der Angriff der Vögel die Rache der Natur an der willfährigen und eigenmächtigen ignoranten Menschheit ist . 4-A-3-6 Luftstrahlantriebwerk für Düsenflugzeuge (schematisch) FS : Luftschraubenschub in N FS ≈ - (dm/dt) (vaus - vein) ; vein dm/dt = Luftdurchsatz in kg/s vaus Fs vein : Eintrittsgeschwindigkeit vaus : Austrittsgeschwindigkeit; vaus >> vein Wegen Actio = Reactio (Rückstoss) ist Fs antiparallel zu vein und vaus Luftstrahltriebwerk • Das Ansaugen der Luft findet im Ansaugteil statt, wo die Luft der Masse m mit der Geschwindigkeit vein einströmt. m·vein = Impuls der einströmenden Luft. • Die Luft wird durch einen Verdichter, der von der Turbine angetrieben wird, verdichtet. • In der Brennkammer findet mit Hilfe eines Treibstoffes (Kerosin) die Verbrennung statt. • Die mit hoher Geschwindigkeit vaus >> vein ausgeblasene Luft findet im Turbinen- und Schubdüsenteil statt. 4-A-4-1 4 - 52 m·vaus = Impuls der ausströmenden Luft. Referenzen: Kapitel 4 R-4-0 4.0 Das Fliegen - Überblick R.4.0.1 p. 107 : Überblick über das Fliegen zusammengestellt von P. Brüesch R.4.0.2 p. 108 Fliegen von Vögeln und Flugzeugen: a) Fliegen (Fortbewegung) - http://de.wikipedia.org/wiki/Fliegen:(Fortbewegung) b) Flight - From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Flight c) Fliegender Storch und Boeing - 747 - Fliegender Weiss-Storch: Bild aus Google Images: Weissstorch im Flug. jpg – schoepfung.eu Text aus: Weissstorch; http://wikipedia.org/wiki/Wei%C3%9Fstorch - Flugzeug: Boeing – 747-100 - Bild aus Google Images: Boeing – 747 Text aus: Boeing 747 - http://de.wikipedia.org/wiki/Boeing:747 s. auch: Boeing 747 – 100 - http://www.fliegerweb.com/airliner/flugzeuge/lexikon.php?show-lexikon-571 4.1 Physikalische Grundlagen R.4.1.3 p. 110: Überblick über Navier-Stokes – Euler – Bernoulli – und Kutta-Joukowski –Gleichungen (P. Brüesch) p 110: p. 4-A-1-1: Literatur über Navier - Stokes - Gleichungen Grundlagen der Strömungsmechanik: Eine Einführung in die Theorie der Strömungen Franz Durst - Springer Verlag (2008) Navier-Stokes-Gleichungen - http://de.wikipedia.org/wikipedia.org/wiki/Navier-Stokes_Gleichungen Diese Literaturstelle enthält mehrere Referenzen über die Navier - Stokes-Gleichungen Navier - Stokes-Equations - http://en.wikipedia.org/wîki/Navier%E2%80%93Stokes-equations R.4.1.4 p. 111: Lift (force) : Aerodynamische Grundlagen a) http://wikipedia.org/wiki/Lift_(force) - enthält auch die Figur auf unserer Seite 111: Forces on an airfoil b) Flying of birds - Picture found on Google under «The Flying Birds – Animal Wallpaper» (Kräfte auf Flügel von P. Brüesch eingezeichnet) R-4-1 4 - 53 R.4.1.5 Euler – Gleichungen - aus Wikipedia, der freien Enzyklopedie http://de.wikipedia.org/wiki/Euler-Gleichungen enthält auch Bücher (Englisch und Deutsch) über diese Gleichungen R.4.1.6 Satz von Kutta-Joukowski a) Satz von Kutta-Joikowski - http://de.wikipedia.org/wiki/Satz_von_Kutta_Joukowski b) Das Gesetz von Kutta-Joukowski http://www.physik.uni-wuerzburg.de/video2/alpha/FluidDynamik/node25_ct.html c) Die Berechnung der Auftriebskraft nach Kutta-Joukowski http://www.physik.uni-würzburg.de/video2/alpha/kap5/Tips/Tio01/Tip01:ct.htm d) Kutta-Joukowski theorem - http://en.wikipedia.org/wiki/Kutta%E2%80%93Joukowski_theorem R.4.1.7 Zum Satz von Bernoulli und zum Theorem von Kutta-Joukowski a) Die physikalischen Grundlagen der Luftfahrt www.eq.uni-mainz.de/.../Die_physikalischen_Grundlagen_der_Luftfahrt - Lena Michaela Altherr pp 171 – 173: Herleitung der Bernoulli-Theorie bei Altherr (s. hier: Anhang 4-A-1-2, 4-A-1-3) b) Fliegen und Luftfahrt - [PDF] Script : www.kphys.uni-heidelberg.de/.../huefner/V075-p--c) Lift: Why can airplains fly ? ([PDF[ : Chapter 5) Hardi Peter und Rolf Schlichtenberger : Introduction to Hydrodynamics www3.kis.uni-freiburg.de/~peter/hydro05.pdf d) Wie erklärt man das Fliegen eines Flugzeugs ? Rita Wodzinski ; highered.mcgraw-hill.com/…/Simple_Chapte PLIS LUCIS (Fachdidaktik) pp 18 – 22 e) Wie erklärt man den Auftrieb nach Kutta-Jukowski ? Heuristische Herleitung von Kutta-Joukowski aus Bernoulli-Gleichung (für planparallele dünne Platte) http://www.physik.uni-würzburg.de/video/alöha/kap5/Tips/Tip0/Tip01_ct.html R.4.1.8 pp. 4-A-1-2, 4-A-1-3, p. 112: Herleitung und Diskussion der Bernoulli-Gleichung Diese kann aus dem Energiesatz oder direkt aus dem 2. Gesetz von Newton hergeleitet werden. Die im Anhang enthaltene Herleitung (pp 4-A-1-2 und 4-A-1-3 basiert auf dem Newton’schen Gesetz (Lineare Impulsgleichung der Fluid-Mechanik: highered.mcgraw-hill.com/…/Simple_Chapter.pdf- ; Chapter 12 R-4-2 R.4.1.9 p. 112: Bernoulli-Gleichung; Druckerhaltung und Energieerhaltung [PDF] Bernoulli-Gleichung; www.delta-q.de/export/.../bernoulligleichung.pdf- R.4.1.10 p. 112: [PDF] Derivation and Interpretation of Bernoulli’s equation Lesson 61: Physics – Trinity Valley School Dr. Mitch Hoselton - Physics: An Incremental Development, John H. Saxon, Jr. faculty-trinityvalleyschool.org/…/Lesson%2061… R.4.1.11 p. 4-A-1-3, p. 112: Bernoulli’s principle Wikipedia, the free encyclopedia; http://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli’s_principle R.4.1.12 Die Bernoulli-Gleichung - Herleitung aus Energieerhaltungs-Satz [PDF] Die Bernoulli Gleichung; huberlab.wp.tu-harburg.de/eep1/…/EEP1_02_0 R.4.1.13 Physik: Ein Lehrbuch von Wilhelm Westphal Achtzehnte und neunzehnte Auflage Springer. Verlag; Berlin – Göttingen – Heidelberg (1956) Diskussion der Bernoulli-Gleichung: p. 173 im Besonderen für horizontale Strömung R.4.1.14 p. 113: Strömung um Tragflächen - 1: Erste und dritte Figur - aus Referenz R.4.1.4 mittleres Bild : Anfahrwirbel : aus : Bound Vortex - http://wikipedia.org/wiki/Lift_(force) R.4.1.15 p. 114: Strömung an Tragflächen - 2 http://www.shgymlb.schule-bw.de/unterricht/faecher/ph/stroemungsphysik/trGFLUEGEL.HTML R.4.1.16 p. 115: Qualitative Erklärung des Auftriebs in: Lexikon der Physik: Auftrieb – Spektrum der Wissenschaften www.spektrum.de/labo/lexikon(physik/970 R.4.1.17 p. 116: Auftrieb und Kutta – Joukowski a) s. Ref. R.4.1.6 d): Kutta – Joukowski theorem b) s. Ref. R.4.1.7 c): Lift : Why can airplanes fly ? c) Tragflügel http://www.peter-junglas,de/th/vorlesungen/stroemungslehre2/htmlkap1-7.html R-4-3 4 - 54 R.4.1.18 p. 117: Kutta-Joukowski_Heuristisches_Modell - 1 Figur der Tragfläche aus Google unter «Tragflächen» Bearbeitet von P. Brüesch R.4.1.19 p. 118: Kutta-Joukowski_Heuristisches_Modell - 2 s. Referenz R.4.1.7 c) R.4.1.20 p. 118: Kutta-Joukowski – Theorem Formale Herleitung der Theorie - Referenz R.4.1.6 d) R.4.1.21 a) p. 119: Technische Formel für den Auftrieb und Vergleich mit Kutta.Joukowski 2. Gasphysik: Zweidimensionale Strömung; 3. Tragflügel endlicher Spannweite [ PDF] – MBS : www,mbsroegner.bizland,com/FLUWIIA.pdf b) p. 119: Praktische Aerodynamik; Bild 13 Dieter Thomas : Vortrag im Rahmen der Fluglehrerweiterbildung 1992 in Frankfurt www.thomas-flight-test.de/.../Aerodynamik_Bilde... 4.2 Fliegende und gleitende Tiere 4.2.1 Wirbellose und Wirbeltiere R.4.2.1 p. 121: Allgemeine Bemerkungen Flying and gliding animals http://en,wikipedia.org/wiki/Flying_and_gliding_animals R.4.2.2 p. 122: Fliegen in der geologischen Zeitskala Geologische Zeitskala - http://de.wikipedia.org.wiki/Geologische_Zeitskala p. 123: Planet der Insekten - http://www.schmetterlinkdpark.de/insekten.htm R.4.2.3 R-4-4 4.2.2 Fliegende und gleitende Wirbellose: Insekten R.4.2.4 p. 124: Wirbellose Tiere: Insekten R.4.2.5 p. 125: Definition: Was ist ein Insekt ? www.lehrerweb.at/materials/gs/su/riere/,,,/insekten/.../02_definition_p... R.4.2.6 p. 126: Käfer, Schmetterlinge, Fliegen, Mücken und Hautflügler - http://de.wikipedia.org/wiki/k%C3%A4fer R.4.2.7 p. 127: Die grössten Insekten der Welt / u.a Schmetterlinge - Königin-Alexandra-Vogelfalter a) Grösstes Insekt der Welt - http://de.wikpedia.org/wiki/K%C3%B6nigin.Alexandra-Vogelfalte b) Die kleinsten Insekten der Welt - Die Zwergwespe Dicopomopha echmepterygis http://de.wikipedia.org/wiki/Dicopomorpa_echmepterygis http://de.wikpedia.org.wiki/Zwergwespen http://en.wikpedia.org/wiki/Fairfly Betreffend der Reynoldszahl Re: s. Anhang: pp 4-A-2-1 und 4-A-2-2 mit Referenzen Der Autor dankt Herrn Peter Etter herzlich für seine Information über die Dicopomorpha echmepterygis c) Insektenflug - https://de.wikipedia.org/wiki/insektenflug Enthält Abschnitt über «Fliegen bei geringen und mittleren Reynolds-Zahlen» d) How do I … calculate Reynolds number ? - https://www.mh-aerotools.de/airfoils/howod.htm e) Similarity Parameters - Aerodynamic Forces depend on Re and M https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/airsim.html f) https://de.wikipedia.org/wiki/Fransebfl%C3%BCgler g) Wenn Wasser schlüpfrig und Luft klebrig wird - von B. Rodewald und H.J. Schlichting https://www.uni-muenster.de/imperial/.../wasser_schl_pfrig_rode.pdf Enthält eine Graphik der Fluggeschwindigkeit in Abhängigkeit der Reynoldszahl Re: Re = 10-6 bis 106 R.4.2.8 pp 128, 129: Die faszinierende Welt der Insekten http://www.hoppsala.de/index,php?!menueID=261&contentID=1955 R.4.2.9 p. 129: Das Facettenauge eines Drohns (männliche Biene) http://www.die-honigmacher.de/kurs1/seite_24102_html R.4.2.10 p. 130: Drei fliegenden Insektenstaaten: Bienen – Ameisen – Termiten a) Bild links: Bienen - http://www.inkerei-selzer.gmxhome.de/inkerei1/schwarm.htm b) Bild Mitte: Fliegende Ameisen - http://www.tiere-umwelt.de/fliegende-Ameisen c) Bild rechts: Fliegende Termiten - http://de.wikipedia.org/wiki/Termiten R-4-5 4 - 55 4.2.3 Schmetterlinge R.4.2.11 p. 131: Schmetterlinge: Vorbemerkungen R.4.2.12 p. 132: Entwicklungsstadien der Schmetterlinge Bild aus : Lebenszyklus der Schmetterlinge; http://www.telfs.com/noafl/schmetterlinspage/frames(Lebenszyklus.htm (Die Beschriftung der Figur wurde vergrössert und geringfügig modifiziert) R.4.2.13 p. 133: Schmetterlingsflügel und Flugverhalten a) Schmetterlingsflügel und Schuppen (Text und Bild) http://www.hydro-kosmos.deklforsch/schuppen.htm b) Schmetterlinge Flügel und Flugverhalten - http://wikipedoa.org/wiki/Schmetterlinge R.4.2.14 p. 134: Einige_Schmetterlinge: Bilder Eine kleine Auswahl von Schmetterlingen www.ausgabe.natur/lexikon.com/schmetterlinge-php R.4.2.15 p. 135: Fliegen 4.2.4 Fliegen und Mücken a) Fliegen - aus: Wikipedia, der freien Enzyklopedie - http://de.wikipedia.rg/wiki/Fliegen b) Wie fliegen Fliegen ? - http://www.mpg.de/3648523/Wie_Fliegen_fliegen c) Taufliege kann mit Augen auf Fühlern sehen p. 135: oberes Bild: Taufliege im Gleitflug http://www.krone.at/Wissen&Taufliege:kann:mit:Augen_aif_Fuehlern_sehen-Hilfe:fuer_Blinde-Story-105499 d) Frankfurter Allgemeine: Wissen: DIe Taufliege in der Identitätskrise Bild unten: Die aktiv fliegende Taufliege http://m.faz/aktuell/wissen/natur/taxonomie-die-taufliege-in-der-identitätsktise-11008050.html e) Tsetsefliegen - http://de,wikipedia.org/wiki/Tsetsefliegen R.4.2.16 a) b) c) d) p. 136: Mücken - Mosquitos - http://de.wikipedia.org/wiki/M%C3%BCcken Stechmücken - http://de.wikipedia.9rg.wiki/Stechm%C3%BCcken Schlagwort – Archiv - Natürlche Insektenabwehr - http://apdikt.wordpress.com/tag/mücken/ Malaria - http://wlikipedia.org/wiki/Malaria R-4-6 4.2.5 Die Hautflügler R.4.2.17 p. 137: Hautflügler a) Hautflügler - «Wespen im Jahr 1970» - Heuschrecken, Käfer und Wespen Text und Bild links - http://www.aktion-wespenschutz.de/Zeitreise/1970/History%201970.htm b) aus: Wikipedia, der freien Enzyklopedie - http://de.wikipedia.org/wiki/Haut%C3%BCgler c) Bild rechts: Xyelidas - http://de.wikipedua.org/wiki/Xyelidae 4.2.6 Libellen R.4.2.18 a) p. 138: Libellenflug - Flugtechnik der Libellen - http://www.libellen.li/flugverhalten.html b) Libellen - http://de.wikipedia.org/wili/Libelle c) Fliegen Libellen anders als andere Insekten ? - wissen.de http://www.wissen.de/bikdwh/fkiegen-libellen-anders-als-andere-Insekten R.4.2.19 p. 139: Vergleich von Libelle mit Hubschrauber (Helikopter) Ingo Rechenberg: Vorbild aus der Natur: « Wie aus der Libelle ein Hubschrauber wurde» in: DIE WELT (24. 95 10 – Vorbild Natur - www.welt.de>Wissen- R.4.2.20 p. 139: Hubschraubertechnik und Grundlagen http://www.luftrettung-hanburg.de/html/hubschraubertechnik.html 4.3 Fliegende und gleitende Wirbeltiere 4.3.1 Flugsaurier R.4.3.1 p. 142: The earliest flying animals were probably gliders Der Flugsaurier – Pterosaurier http://www.lookandlearn.com/blog/19871/the_earliest-flying-animals-probably-gliders/ R.4.3.2 pp 143, 144: Flugsaurier Bild von p. 143 (Skelett); Bild links von p. 144 (Flugsaurier) - http://de.wikipedia.org/wiki/Flugsaurier... R.4.3.3 p. 144: Qietzalcoatlus - Text zu p. 144 - http://de.wilioedia/wiki/Quetzalcoates SCINEXX - Plerosaurier waren Langsamflieger - http://www.scineaxx-de/wissen-aktuell-12606-11-24.html R-4-7 4 - 56 R.4.3.4 p. 144: Pterosaurier Facts Bild rechts von p. 144 - http://someinterestingfacts,net/pterosaur.facts R.4.3.5 Der Ursprung des Fliegens – ein Rätsel der Natur http://www.jesus.ch/information/wissen_und:Forschung/fossilien_stumme_zeugen_der_vergangenheit. R.4.3.6 Referat: Evolution des Vogels - http://www.pausenhof.de/referat/biologie/evolution-der-voegel/9092 R.4.3.7 p. 146: Ref. R.4.3.5 - Der Ursprung des Fliegens Bild: Zur Geschichte der Vögel_Aecheopteryx - Images R.4.3.8 p. 146: Referenz R.4.3.6 - Referat: Evolution der Vögel; Text zu p. 146 R.4.3.9 p. 147: Habitus und Skelett von Vögeln a) Vogelskelett: http://de.wikipedia.org/wiki/Vogelskelett b) Skelett, Körperbau und Organe eines Vogels http://www.medienwerkstatt.online.de/lws_wissen/vorlagen/showcard.php?id=5194 R.4.3.10 p. 148: Physiologie der Vögel: Skelett Figur a) Längsschnitt; aus www.google.ch/search - Bilder Figur b): Querschnitt; Faszination Fliegen – Modell Vogel http://its.mv.fh-duesseldorf.de/Vorlesung/alt_iplom_schueler_etc/facharbeiten/quirimus/CD_facharbeit_Tragfluegel R.4.3.11 p. 149: Physiologie der Vögel: Die Flügel http://de.wikipedia.org/wiki/F1%C3%BCgel Vogel http://universal:lexikon.deacademoc.com/316312/Vogelfl%C3%BCgel R.4.3.12 p. 150: Zur Physik des Vogelflugs 4.3.2 Die Vögel a) Schlagflug: http://de.wikipedia.org/wiki/Schlagflug b) Wie fliegt ein Vogel? http://www.goethe.lb.bw.schule.de/faecher/biologie/biologie/klasse06/vogelflug/vogelflug-htm c) Das Flugprinzip der Ornithopter - http://www.ornithopter.de/ptinzip.htm d) [PDF] How Do Birds Fly ? - files.dnr.state.mn.us/publications/volunteer/young R-4-8 R.4.3.13 p. 151: Meister der Lüfte – Rekorde aus der Vogelwelt a) http//www.planet-wissen.de/natur_technik/tierisches/tierische_flieger/meister:der_luefte.jsp b) Der Alpensegler: Weltrekord im Dauerfliegen - Dr. Felix Liechti (Schweizerische Vogelwarte Sempach) http://www.xn-vgel-5qa.ch/weltrekord-im-dauerfliegen.html R.4.3.14 p. 152: Beispiele bunter Bilder von Vögel; aus: Google : Bilder R.4.3.15 p. 153: Der Andenkondor - http://de.wikipedia.org/wiki/Andenkondor Bild: unter www.google.ch «Vogelflug» : Aktivitäten 2002 – uzwil.birdlife.ch 4.3.3 Gleitende Fische R.4.3.16 pp 154, 155: Gleitende Fische http://de,wikipedia.org/wiki/Fliegende_Fische a) Flying fish - http://en.wilipedia.org/wiki/Flying_fish Bild auf p. 154 unter Images; www.google.ch/search - (File: Pink-wing flying fish.jpg-Wikipesia) b) Flying Fish - http://animals.nationalgeographic.com/animals/fish/flying-fish/ R.4.3.17 p. 156: Haie und Gleitflug von Haien a) Haie - http://de.wilipedia.org/wiki/Haie b) Die fliegenden Haie von Seal Island http://dokumonster.de/sehen/4440-die-fliegenden-Haie-von.seal-island.n24-doku/ c) Bruni + Norbert Fuchs - Amerika II 2006 – 2008 – Die Reiseberichte http://www.vulpes-vulpes-sam.com/78503.html 4.3.4 Gleitende Reptilien R.4.3.18 p. 157: Gleitflug von Reptilien - http://de.wikipedia.org/wiki/Reptilien R.4.3.19 p. 158: Flugdrachen a) http://de.wikipedia.org/wiki/Flugdrachen b) Draco (genus) - http://en.wikipedia.org/wiki/Drago_(genus) Bild aus: www.google.ch/search - Images : Flying Dragon: Lizards: Animal Olanet R-4-9 4 - 57 R.4.3.20 p. 159: Gleitflug von Geckos a) Geckos: http://de.wikipedia.org/wiki/Geckos b) Von Baum zu Baum segeln - Wirbeltiere lernen fliegen Fluggeckos http://www.daserste.de/infotmation/wissen-kultur/w-wie-wissen/specialsvon-baum-zu-baum-segeln-100.htm c) Gleitflug bei Tieren http://www.wissen.dethema/gleitflug-bei-tiefen?chunk-gleitflug-bei-amphibien-und-reptilien d) Bild von Gecko: - SCIENCE PHOTO LIBRARY Flying Gecko - http://www,sclencephoto.com/media/379134/view R.4.3.21 p. 160: Gleitflug von Flugschlangen a) Fliegende Schlangen http://www.focus.de/wissen/natur/biologie-fliegende-schlangen_aid_574578.html b) s. auch Ref. R.4.3.20 c) 4.3.5 Gleitende Amphibien R.4.3.22 p. 161: Amphibien und Reptilien a) b) http://www.frankfurt.de/sixcms/detail.php?id=3852&_ffmpar%5B_id_inhalt%5D=30149 Amphibien - http://de.wikipedia.org.(wiki/Amphibien R.4.3.23 p. 162: Lurche – Amphibien Die 21 mitteleuropäischen Amphibien und ihre wesentlichen Bestimmungsmerkmale – BioNetworX.de http://www.bionetworx.de/biomemorix/uebersicht.html R.4.3.24 p. 163: Hüpfende und gleitende Frösche a) Vergleichende Tierphysiologie – Vol. 1, p. 627 Gerhard Heldmaier, und Gerhard Neuweiler – 2003 - Science books.google.ch/books?isbn=3540442839 http://books.google.ch/books?id-rKx-RKYoxeMC&pg=PA627&dq=Sprungweite+von+Fr%C3%B6schen b) Bild und Text gefunden unter: «Flying frogs» – Images Collection & Selection: Earth Facts to visit page - Flying frog : Wallace’s Treefrog R-4-10 4.3.6 Fliegende und gleitende Säugetiere R.4.3.25 pp 164: 165: Fliegende und gleitende Säugetiere - Übersicht Informationen über Fledermäuse, Flughunde, Gleithörnchen, Riesengleiter und Lemuren aus verschiedenen Quellen in Google R.4.3.26 p. 166: 4.3.6.1 : Fledermäuse http://de.wikipedia.org/wiki/Fleferm%C3%A4use R.4.3.27 pp 166, 167: Fledermäuse Warum Fledermäuse nachts fliegen und tags schlafen http://www.tk-logo.de/cms/beitrag/1004161/203850/Warum_Fledermaeuse:nachts_fliegen_und tags.html R.4.3.28 p. 167: Oekosmos: Fledermäuse - http://www.oekosmos.de/artikel/details/fledermeuse/ R.4.3.29 pp 167, 168: Flugtechnik: Fledermaus im Windkanal a) http://sciencev1.orf.at/science/news/148077.html b) p. 168: Fliegen wie der Teufel - http://www.zeit.de/online/2007/20/fledermaus-flug-galerie c) p. 168: [PDF] Fledermäuse sorgen für Wirbel - www.mpg.de/933912/S007_Bkickpunkt:092.pdf R.4.3.30 p. 169: Landfachausschuss für Fledermausschutz und Forschung: Fledermäuse hören ihre Umgebung http://www.lfa-fledermausschutzmv.de/Echoortung.19.0.html (s. auch Ref. R.4.3.26, p. 166 R.4.3.31 p. 170: 4.3.6.2 - Flughunde a) http://de.wikipedia.org/wiki/Flughunde b) Eigentliche Flughunde - http://de.wikipedia.org/wiki/Eigentliche:Flughunde R.4.3.32 p. 171: Die Orientierung und das Schlafen von Flughunden a) http://link.springer.com/articke/10.1007%2FBF00338621?L1=true b) Flughunde orientieren sich nach interner Landkarte http://www.focus.de/wissen/natur/wissenschaft-flughunde-orientieren-sich-nach-interner-Landkarte_aid_656004,html c) Die umgekehrte Welt der Flughunde. Wie schlafen Flughunde ? http://www.geo.de/GEO/natur/tierwelt/tierwelt-video-die-umgekehrte-welt-der-flughunde-66871-html d) Bild zu «Schlafende Flughunde» - aus: www.google.ch : Images – unter: «Wie schlafen Flughunde ?» R-4-11 4 - 58 R.4.3.33 p. 172: Kleine Rote Flughunde a) Roter Flughund - http://de.wikipedia.org/wiki/Roter_Flughund b) Little Red Flying Fox - http://animals.nationalgeographic.com(animals/mammals(little-red-flying-fox/ c) Flying foxes make unusual sojourn to the Barkly www.abc.net.au/news/2012-10-12/.../flying-foxes-at.../4310686 By Ruby Jones - contains PHOTO of «Little Flying Foxes» d) Little red flying fox - http://en.wikipedia.org/wiki/Little_red_flying_fox R.4.3.34 p. 173: 4.3.6.3 - Das Gleithörnchen a) Gleithörnchen - http://de.wikipedia.org/wiki/Gleith%C3%B6rnchen b) Gewöhnliche Gleithörnchen - http://www.markuskappeler.ch/tex/texs/gleithoernchen.html http://www.wissen.de/thema/gleitflug-beo-tieren?chunk=gleitend-von-baum-zu-baum c) Gleitflug bei Tieren http://www.wissen.de/thema/gleitflug-beo-tieren?chunk=gleitend-von-baum-zu-baum R.4.3.35 p. 174: a) b) c) 4.3.6.4 - Gleitende Lemuren http://www.khaosok.hotels.com/de/wildhilfe/mammaks/flying-lemur,html Fliegende Lemuren ebenfals nahe Verwandte des Menschen http://www.aeroman.org/html/DE/fliegende_lemuren.html Lemuren - http://de.wikipedia.org/wiki/Lemuren R-4-12 4.4 Flugversuche von Menschen R.4.4.1 p. 176: Der Traum vom Fliegen a) Geschichte der Luftfahrt - http://wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Luftfahrt b) Geschichte des Fliegens – Die Anfänge bis zum ersten Weltkrieg http://www.luftrettung-hamburg.de/html/pioniere.html c) Shun (Kaiser) - http://de.wikipedia.org/wiki/Shun_(Kaiser) d) Schwerelos . Kai König - http://www.heise.de/ix/artikel/Schwererlos_506840.html e) Daedalos - http://de.wikipedia.org/wiki/Daidalos f) Ikarus - http://de.wikipedia.org/wiki/Ikarus g) Daedalus und Ikarus - (mit Bild rechts unten) http://owInet.overlake.org/Academics/Faculty/jrothfels/Latin%2011%20Ovid%202007/hades/index.html h) Icarus - http://en.wikipedia.org/wiki/Icarus R.4.4.2 p. 177: Albrecht Ludwig Berblinger – Der Schneider von Ulm und der Flugpionier a) http://de.metapedia.org/wiki/Berlinger,_Albrecht_Ludwig (mit Bild unten) b) http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/200-jahre-gleitflug-schneiderlein-im-sturzwind-a-765672.html (mit Bild oben) R.4.4.3 a) pp 178 – 179: Otto Lilienthal http://de.wikipedia.org/wiki/Otto_Lilienthal b) Otto Lilienthal : Kurzbiographie http://www.luftfahrtachiv.eu/index.php?option=com_content&view=article&id=195:otto-lilienthal.... R.4.4.4 a) pp 180 - 181: Brüder Wright http://de.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BCder_Wright Anmerkung zum Abschnitt «Doppeldecker-Gleitapparat»: Hier ist ein Fehler: Bei der Streckenangabe muss 622.5 m durch 622.5 ft = 189.7 m ersetzt werden (1 ft = 0.3048 m) b) Wright brothers http://en.wikipedia.org/wiki/Wright:brothers R-4-13 4 - 59 R.4.4.5 p. 182: Der Transatlantikflug von Lindbergh - Bilder aus: www.google.ch/ a) http://de.wikipedia.org/wiki/Charles_Lindbergh (Lindbergh geriet in den USA wegen seiner Nazi-freundlichen und Juden-feindlichen Einstellung stark unter Beschuss, nicht zuletzt von Präsident Roosewelt. Erst viel später, im Jahre 1957, als er seine Autobiografie schrieb, entsetzte er sich über die NS-Konzentrationslager und die Vernichtung der Juden). b) Spirit of St. Louis - http://de.wikipedia.org/wiki/Spirit_of_St._Louis c) Planet Wissen Startseite - Navigationspfad – Luftfahrt http://www.planet-wissen.de/wissen_interaktiv/html-versionen/luftfahrt/index.jsp R.4.4.6 p. 183: Der Zeppelin – Die Katastrophe der «Hindenburg» (1937) a) Zeppelin - http://de.wikipedia.org/wiki/Zeppelin b) Infos zum Thema «Zeppeline» - Die Luftschiffe von Ferdinand Graf von Zeppelin http://www.zeppelinfan.de/html-seiten/deutsch/liftschiff_zeppelin.htm c) Referenz c) von R.4.4.5 d) AKTUELLER / ARTIKEL - Der Zeppelin fliegt wieder http://www.wasistwas.de/aktuelles/artikel/link/435866c988/article/der-zeppelin-fliegt-wieder.html e) Zeppelin (in English) - From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Zeppelin R.4.4.7 p. 184: Segelflugzeuge a) Segelelflugzeug - http://de.wikipedia.org/wiki/Segelflugzeug b) Glider (sailplane) - http://en.wikipedia.org/wiki/Glider_(sailplane) R.4.4.8 p. 185: Düsenflugzeuge a) Flugzeug - http://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeug b) Rückstossantrieb - http://re-flugzeuge-info/rueckstossantrieb.php c) Flugzeugtriebwerke – Basiswissen Schule Physik http://m.schuelerlexikon.de/mobile_physik/Flugzeugtriebwerke.htm d) Rückstoss - http://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%BCcksto%C3%9F e) Boeing 747 - http://de.wikipedia.org.wiki/Boeing_747 R-4-14 R.4.4.9 p. 186: Strahltriebwerk eines Düsenflugzeuges a) b) R.4.4.10 p. 187: Take-off of Boeing 747 - 81 a) b) c) d) e) R.4.4.11 Lift Coefficient & Thin Airfoul Theory http://www.aerospaceweb.org/question/aerodynamics/q0136.shtml Modern Lift Equation - http://wright.nasa.gov/airplane/lifteq.html John S. Denker: See How It Flies - A new spin on the perceptions, procedures and principles of flight Published by McGraw – Hill Companies - Copyright @1996 – 2008 jsd see especially Chapters 2 and 13 - http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter Flying: Lessons - Lesson 4: Slow Flight - Definition and Illustrations for the «Angles of Attack» http://krepelka.com/fsweb/lessons/student/studentlessins04.htm Airliner Takeoff Speeds - http://www.aerospaceweb.org/question/performance/q0088.shtml p. 188: Hubschrauber - Allgemein a) b) d) R.4.4.12 Strahltriebwerk - http://de.enc.tfode.com/Strahlantrieb - (Zur klaren Darstellung wurde die Figur retochiert) Strahltriebwerk - http://de.wilipedia.org/wiki/Strahtriebwerk Hubschrauber - http://de.wikipedia.org/wiki/Hubschrauber Physikalische Grundlagen zum Hubschrauber http://wiki.re-heli-fan.org/index.php/Physikalische_Grundlagen From Wikipedia, the free encyclopedia - http://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter Fotos von Hubschrauber: www.googl.ch/seaech- Helikopters p. 189: Zur Physik des Hubschraubers a) b) c) [PDF] Aerodynamik der Hubschrauber - www.grider.de/.../Aerodynamik%20Der%20Hubschrauber(cont Flugdynamik und Aerodynamik des Hubschraubers http://www.heliport.de/lexoka/hubschrauber-physiklexikon/ Anstellwinkel - http://wiki.walkera-raptor-forum,de/index.php?title=Anstellwinkel&redirect=no d) Physics of Helicopters - From Croom Physics Wiki http://wiki/croomphysics.com/index.php?title=Physics_of_Helicopters e) Bilder: [PDF] Aerodynamik der Hubschrauber - oberes Bild: Vortrieb–Auftrieb–Luftwiderstend–Gewicht (Beschriftung von P. Brüesch ergänzt) - unteres Bild: Rumpf – Rotor – Heck R-4-15 4 - 60 Anhang – Kapitel 4 R.A.1.1 p. 4-A-1-1: Basic Aerodynamic Principes and Applications (Chapter 2) [PDF] www.ohio.edu/people/uijtdeha/chapter-2...basic-aerodynam.pdf R.A.1.2 p. 4-A-1-2: Figur: Flusslinie zur Bernoulli – Gleichung - Referenz R.4.1.8 - Figur von P. Brüesch bearbeitet R.A.1.3 p. 4-A-1-3: Herleitung der Bernoulli-Gleichung aus Referenzen R.4.1.8; pp 471 – 474; R.4.1.10, R.4.1.11 R.A.1.4 p. 4-A-1-4: Physik Experiment : Warum fliegen Flugzeuge ? http://experimentis.de/PhysikExperimente/Versuch/314Fliegen.html R.A.2.1 p. 4-A-2-1: Zur Herleitung der Reynolds Zahl - Hocine Oumeraci a) see Reference R.4.3.24 a): Vergleichende Tierphysiologie b) Leichtweiss – Institut für Wasserbau ; Technische Universität Braunschweig Vorlesungsdruck für das Grundfach «Hydrodynamik» Kapitel 11: Laminare und turbulente Strömung Abschnitt 11.5,2 , p. 202 ; Heuristische Herleitung der Reynolds-Zahl auf der Basis der Trägheitskraft und der Reibungskraft eines sich durch ein Fluid (Wasser oder Luft) bewegenden Objektes http://www.tu-braunschweig.de/Medien.../skript-hydromechanik.pdf c) Intuitive Derivation of Reynolds Number Randall D. Peters and Loren Summer - http://physics.mercer.edu/hpage/friction/ajp/reynolds.html Die heuristische Herleitung beruht nicht auf Trägheits- und Reibungskräften. sondern auf Leistungen, d.h. auf der Aenderungsrate der kinetischen Energie und dem Leistungsverlust durch Reibung des Fluids R.A.2.2 p. 4-A.2-2: Beispiel von Reynoldszahlen fliegender Insekten und in der Technik a) Figur gefunden unter: «Speed versus Reynolds number» - Bilder (Pictures) b) Text aus Referenz R.4.3.24 - Vergleichende Tierphysiologie c) Beispiel: Reynoldszahl von Zwergwespen - htps://de.wikipedia.org/wiki/Zwergwespen R-4-16 R.4.2.3 p. 4-A-2-3: Wenn Wasser schlüpfrig und Luft klebrig wird - von B. Rodewald und H.J. Schlichting https://www.uni-muenster.de/imperial/.../wasser_schl_pfrig_rode.pdf Enthält eine Graphik der Fluggeschwindigkeit in Abhängigkeit der Reynoldszahl Re: Re = 10-6 bis 106 R.A.2.4 p. 4-A-2-4: Gleitende Tintenfische (z.B. Kalmare und Kraken) a) Tintenfische - http://de.wikipedia.org/wiki/Tintenfische b) Fliegende Meerestiere: Tintenfische übertreffen Sprint – Weltrekord http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/tintenfische-schneller-als-weltrekordhalter-usain-bolt-a-882300.html (c) Kalmare - http://de.wikipedia.org/wiki/Kalmare d) Kraken - http://de.wikipedia.org/wiki/Kraken e) PDF] Tintenfisch - www.fischinfo.de/pdf/TINTENFISCH.pdd f) Bilder aus : www,google.ch - Images - Tintenfisch bzw. Octopus R.A.3.1 p. 4-A-3-1: [PDF] Die 5 Klassen der Wirbeltiere a) Vertebrates: http://mrsmoyerfog4.wikispaces.com/Vertebrates (Figuren-Text von P. Brüesch von Englisch auf Deutsch übersetzt) b) Vertebrates: http://bio.edu.ee/animals/selgro.htm R.A.3.2 p. 4-A-3-2: Der Vogelflug Text : http://de.wikipedia.org/wiki/Vogelzug Bild: unter www.google,ch «Vogelflug» : Aktivitäten 2002 – uzwil.birdlife.c R.4.3.3 p. 4-A-3-3: Zugvögel: Stare auf Flug ins Winterquartier Sabina Galbiati - Der Sonntag, Nr. 9, 3. März 2013 R.A.3.4 p. 4-A-3-4: Weltrekord im Dauerfliegen (08.10.2013) a) Mauersegler - Apus apus - http://www,vogelwarte.ch/mauersegler.hrml b) Dr. Felix Liechti (Schweizerische Vogelwarte Sempach) Zum Alpensegler - http://www.vogelwarte.ch/weltrekord-im-dauerfliegen.html c) Alpine Swift (Alpensegler) - http://en,wikipedia.org/wiki/Swift d) Common Swift - http://en.wikipedia.org/wiki/Common_swift R-4-17 4 – 61 R-A-3-5 p. 4-A-3-5 - Der Riesengleiter a) Riesengleiter - http://de.wikipedia.org/wiki/Riesengleiter b) Riesengleite (Pelzflatterer) - http://bethge.freepage.de/riesengleiter2.htm c) Was Affen mit Riesengleitern zu tun haben http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/hintergrund/285029.html R-A-3-6 p. 4-A-3-6 - Theological Reflections on Alfred Hitchkock’s «The Birds» by Michael J. Bayly - http://www.cpinternet.com~mbayly/filmandtheology3.htm R-A-4.1 p. 4-A-4-1: Luftstrahltriebwerke für Düsenflugzeuge homo.arcor.de/p4nty/txt/Facharbeit.doc (Seite retouchiert) R-4-18 4 – 62