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 <v>=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

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