Arbeitsblatt: Wie fliegen Vögel?

Wie fliegen Vögel? Otto Lilienthal ist den meisten Menschen als der Pionier des Gleitflugs bekannt. Doch er war auch ein exzellenter Kenner und Beobachter des Vogelflugs. Sein Buch Der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst ist ein Klassiker zum Thema Vogelflug. Die Genauigkeit seiner Darstellungen, die er natürlich ohne eine Zeitlupe erstellen musste, ist verblüffend: In einer Tafel im Anhang seines Buches wird das deutlich: Skizzen von Otto Lilienthal zum Vogelflug: Schlag- und Drehbewegung des Storchenflügels Ganz exakt hat er die einzelnen Bewegungsabläufe festgehalten. Die einfachste Beobachtung ist das Schlagen als Auf- und Abbewegung. Nach Lilienthals Auffassung ist aber eine zweite zusätzliche Bewegung für den Vortrieb entscheidend: Das Drehen. Beim Aufschlag dreht der Vogel seinen Flügel nach oben und beim Abschlag nach unten. Dabei ist die Drehung an der Spitze am stärksten. Lilienthals Skizzen fanden jedoch keine Beachtung. 30 Jahre später wurde aufgrund von theoretischen Überlegungen behauptet, dass die Sogwirkung der Umströmung der Vorderkannte den Vortrieb erklärt. Also allein das Schlagen für die Vorwärtsbewegung maßgeblich ist. Eine fälschliche Auffassung die sich zum Teil bis heute hartnäckig hält. Über 100 Jahre später untersuchen Wissenschaftler das Phänomen experimentell. Der Feinmechaniker Felix Scharstein und der DLR-Mitarbeiter Dr. Wolfgang Send können mit Hilfe eines von ihnen konstruieren mechanischen Vogels zeigen, dass Lilienthals Vorstellungen korrekt waren. Ihr Vogel kann auf- und abwärts schlagen. Der Flügel ist elastisch und verdrehbar. Der Vogel hängt an einer Art Karussell. Er braucht daher keinen Auftrieb zu erzeugen. So lässt sich der Vortrieb isoliert in verschiedenen Flugphasen untersuchen. Das Modell vollzieht die von Lilienthal beim Vogelflug beobachtete zusätzliche Drehbewegung. Dabei wird die Bewegung von der Strömung erzwungen. Mit einem Kraftmesser wird deutlich, dass der Vogel bereits im Stand Vortrieb erzeugt. Er wird beim bewegten Flug dann noch stärker. Die Vortriebskraft lässt sich folgendermaßen erklären: Beim Aufschlag ist die Verdrehung der Tragfläche gerade so groß, dass der Flügelquerschnitt noch von oben angeströmt wird. Auf der Oberseite entsteht ein Staupunkt. Dadurch erfährt der Flügelquerschnitt eine Kraft nach unten. Wird nun der Flügel Künstlicher Vogel mit gleichzeitig positiv angestellt, richtet sich die abwärts zeigende Schlagmechanik: Zwei Flügel Querkraft nach vorne. Der Anteil in Bahnrichtung verursacht eine erzeugen Aufschlag und Schubkraft. Beim Abschlag kehren sich Kräfte und Abschlag. Bewegungsrichtungen um. Die Experimente mit dem Kunstvogel bestätigen also Lilienthals Annahmen. Obwohl die Drehbewegung nur ganz wenig Leistung benötigt, ist sie für den Vortrieb entscheidend. Lilienthal hatte sogar noch mehr beobachtet: Die Strecke, die der Vogel beim Aufschlag zurücklegt ist ein drittel kürzer als beim Abschlag. Wie lässt sich das erklären? Zusammen mit der Vorwärtsbewegung des Vogels führt die Flügelspitze eine Wellenbewegung aus. Diese wird von einer dritten Bewegung überlagert: dem Drehen. Beim Aufschlag nach oben und beim Abschlag nach unten. Schließlich kommt noch eine zusätzliche Schwenkbewegung hinzu: Beim Aufschlag schwenkt der Vogel seine Flügel gegen die Bewegungsrichtung zurück und umgekehrt beim Abschlag nach vorn. Dadurch wird der Aufschlag verkürzt und der Abschlag verlängert. Messungen bestätigen, dass auch Insekten diese Flügelbewegung vollziehen. Nicht ohne Grund: Durch die zusätzliche Schwenkbewegung der Schwingen wird die Vortriebsleistung etwa um die Hälfte gesteigert.