Monarchfalter wandern etwa 4000 km vom Norden der Vereinigten Staaten oder Kanada nach Zentralmexiko, um dort Winterschlaf zu halten, ein Migrationsmuster, das von keiner anderen Art ihrer Art erreicht wird. Eine so lange Reise erscheint zunächst seltsam: Schmetterlinge sind die einzigen fliegenden Lebewesen mit kurzen, breiten und großen Flügeln im Verhältnis zu ihrem Körper. Aber mehr als nur das Fliegen hoch genug, um günstige Windströmungen einzufangen, könnte zu diesem Erfolg beigetragen haben.
Lepidoptera, was auf Griechisch „schuppige Flügel“ bedeutet, ist die wissenschaftliche Klassifizierung für Schmetterlinge und Motten. Schmetterlingsflügel können mehr als eine Million mikroskopisch kleine Schuppen enthalten, die beide Seiten bedecken. Obwohl die Form der Flocken variiert, haben sie normalerweise eine Dicke von 0,1 mm. Die Schuppen halten die Insekten nicht nur trocken, sondern verleihen ihnen auch ihr charakteristisches Farbmuster, das ihnen hilft, Raubtieren auszuweichen, die Temperatur zu kontrollieren und Paarungsanziehungspunkte zu schaffen. Darüber hinaus kann die Mikrogeometrie die Hautreibung um bis zu 45 % reduzieren.
Die Flügelkonstruktionen von Insekten variieren stark und ihre Größe spielt eine wichtige Rolle für die Flugeffizienz. Kleinere geflügelte Insekten wie Fliegen (200 Hz) verwenden höhere Flügelschlagfrequenzen, während größere Insekten wie Monarchen (10 Hz) niedrigere Frequenzen verwenden. Die meisten Schmetterlinge, darunter auch Monarchfalter, fliegen nur wenige Meter über dem Boden. Während der Wanderung wurde jedoch beobachtet, dass Monarchfalter Höhen von mehr als 1 km erreichen, von wo aus sie auf Windströmungen kilometerweit gleiten. Wenn sie in Bodennähe fliegen und mit den Flügeln schlagen, können sie eine Geschwindigkeit von bis zu 5 m/s erreichen, was etwa der Hälfte der Geschwindigkeit des schnellsten Mannes der Welt, Usain Bolt, entspricht.
Im Rahmen eines von uns im Jahr 2017 durchgeführten Projekts untersuchten Forscher die Flügelschlagbewegungen und Flugbahnen von Monarchfaltern, zunächst mit geöffneten und dann mit geschlossenen Schuppen. Erstens widerlegte das Experiment die Vorstellung, dass ein Insekt Schuppen braucht, um fliegen zu können. Noch wichtiger ist, dass das Gewicht eines Schmetterlings nach dem vorsichtigen Entfernen der am Flügel befestigten Schuppen, ähnlich wie bei Vogelfedern, im Durchschnitt nur um 9,5 % abnahm.
In einer Studie mit 11 Exemplaren und mehr als 200 Flügen verringerte das Entfernen von Schuppen jedoch die Kletterleistung eines Monarchen um durchschnittlich 32 %. Die Unterlegscheiben haben ein spezielles und vorteilhaftes Design, das kleine Kammern schafft, die die Aerodynamik des Flügels verbessern.
Flugaerodynamik von Schmetterlingen
Die Abbildung zeigt die vier Grundkräfte, die beim Schlagflug auf einen Schmetterling wirken: Auftrieb (L), Gegengewicht (W), Schub (T) und Widerstand (D). Flügel erzeugen drei davon: Auftrieb, Schub und Widerstand. Damit das Insekt klettern kann, muss seine Hub- und Schubkraft größer sein als sein Gewicht und seine Zugkraft. Darüber hinaus übt Luft, die mit den Flügeln in Kontakt kommt, Druck und Scherspannung auf die Flügel aus, was die einzige Möglichkeit ist, dass die Flügel Nettoauftrieb, Schub und Widerstand erhalten.
Während das Insekt fliegt, wird durch die Luft, die über jeden Flügel strömt, ein Vorderkantenwirbel erzeugt. Durch die rotierende Strömung entsteht im Wirbel ein Unterdruck, und der resultierende Druckunterschied über den Flügel erzeugt sowohl Auftrieb als auch Schub. Scherbeanspruchung ist die Hauptursache für Drift.
Unterschiedliche Flugmuster von Schmetterlingen wurden 2020 von Christoffer Johansson und Per Henningsson mithilfe von Zeitlupenkameras und Strömungsmessungen erfasst. Sie fanden heraus, dass am Ende des Aufwärtshubs, wo die flexiblen Flügel ineinandergreifen und die zwischen ihnen eingeschlossene Luft zusammendrücken, der größte Schub erzeugt wird. Dreidimensionale, komplexe und unregelmäßige Luftströmungen sind möglich. Beim Segelflug macht die Hautreibung oder Scherbeanspruchung, die durch die über den Flügel strömende viskose Luft verursacht wird, fast die Hälfte der gesamten Widerstandskraft aus. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die in Wirbelschleppen zurückbleibende Energie, auch induzierter Widerstand genannt.
Das Gleitverhältnis von Monarchen wird konservativ auf 4:1 geschätzt. Die Hautreibung beim Gleitflug kann gelinde gesagt 10 % oder weniger des Auftriebs ausmachen. Schmetterlinge fliegen aufgrund ihrer geringen Flügelstreckung ineffizient, zumindest im Vergleich zu einer Boeing 17, die ein Gleitverhältnis von etwa 1:747 hat. Wenn es eine Möglichkeit gäbe, die Hautreibung zu verringern, könnten Monarchen mit ihren leichten Körpern und großen Flügeln mit viel weniger Widerstand durch die Luft manövrieren.
Schmetterlinge reiben mit Luft
Was Hautreibung am Flügel eines Schmetterlings verursacht, ist die Entwicklung einer laminaren Grenzschicht, ein Bereich gleichmäßiger viskoser Strömung mit einem Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Flügel und der umgebenden Luft. In der Strömungsmechanik besagt die sogenannte Gleitschutzbedingung, dass die Luftgeschwindigkeit entlang des Flügels mit der Flügeloberfläche übereinstimmen muss. Das Vorhandensein von durch Ablagerungen erzeugten Mikrohohlräumen verändert jedoch die Art und Weise, wie Luft mit der Flügeloberfläche interagiert.
In den Räumen unterhalb der Waage beträgt die Reynolds-Zahl (Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften) aufgrund der geringen Größe der Waage und der viskosen Luftströmung darüber weniger als 10. Aufgrund der niedrigen Reynolds-Zahl ist die Strömung stetig und geordnet. Steigt die Reynolds-Zahl, beginnt die Strömung instabil zu werden. Meine Gruppe konnte diesen Fluss mit niedriger Reynoldszahl im Labor nachbilden, indem sie die Luft durch hochviskoses Mineralöl und die Skalen durch vorgefertigte Platten ersetzte, die die Größe der Skalen verdreifachten. Mit Hohlraumwandwinkeln zwischen 22° und 45° wurden biologisch inspirierte Modelle der Schuppenoberfläche untersucht.
Während die Flüssigkeit über die Lücken in den Flocken quer zu den Flockenreihen fließt, werden kleine Wirbel eingefangen. Diese kleinen Lufträder sind unabhängig von der Außenströmung und verschmelzen quasi mit der Flügeloberfläche. Wenn dies geschieht, besteht die Gefahr, dass die äußere Strömung über die Oberfläche springt und die Rutschfestigkeitsanforderungen teilweise außer Kraft setzt. Laborergebnisse haben gezeigt, dass bei der Strömung mit niedriger Reynoldszahl, der die Schuppen eines Schmetterlings im Flug ausgesetzt sind, der Reibungswiderstand der Haut um mindestens 26 % und bis zu 45 % im Vergleich zu einer glatten Oberfläche verringert wird.
Nach unseren neuesten Erkenntnissen verschwindet der positive Effekt, wenn die Hohlraum-Reynolds-Zahl deutlich höher als 10 (80 oder mehr) ist, da die Strömung im kleinen Wirbel ungeordnet wird und mit der externen Strömung darüber verschmilzt. Daher sind die kleinen Schuppen auf den Flügeln eines Schmetterlings perfekt auf die typischen Fluggeschwindigkeiten des Insekts abgestimmt. Wenn die Flocken deutlich größer wären, würden sie eine größere Lücken-Reynolds-Zahl erzeugen und den Strömungskontrollmechanismus verlieren, der die Flugeffizienz erhöht.
Quelle: Physik heute
📩 14/09/2023 10:03