E2 Federn

Thema

Federn bilden die physische Schnittstelle zwischen der starren Flügelstruktur – den sie stützenden Knochen – und dem Fluid, in dem sich der Flügel bewegt: der Luft. Jegliche Wechselwirkung zwischen dem Flügelskelett und der umgebenden Luft erfolgt letztendlich über die Federn, die diese Knochenstruktur bedecken.

Anders als ein Flugzeugflügel, eine starre Oberfläche, die nur durch einzelne Aktuatoren wie Landeklappen, Vorflügel oder Querruder verstellt wird, ist der Flügel eines Vogels eine kontinuierliche, rekonfigurierbare Oberfläche aus einzelnen Federn. Diese können sich dank kleiner Muskeln an der Basis jedes Federschafts unabhängig voneinander drehen, spreizen, einrollen und ausstrecken. Diese aktive Rekonfigurierbarkeit der Federn ermöglicht es dem Vogel, in einem breiten Geschwindigkeits- und Bedingungenspektrum effizient zu fliegen, das kein Flugzeug mit fester Geometrie erreichen kann. Innerhalb dieses Federsystems sind die Schwungfedern – die primären und sekundären Schwungfedern – zusammen mit den Schwanzfedern die wichtigsten Aktuatoren zur Strömungssteuerung des Vogels. Die primären Schwungfedern sind für den Vortrieb verantwortlich: Sie erzeugen den Schub, der den Vogel mit jedem Flügelschlag vorwärts treibt.

Die sekundären Schwungfedern hingegen erzeugen nicht den Schub des Flügelschlags, sondern den größten Teil des Auftriebs, der den Vogel in der Luft hält: Während die primären Schwungfedern den Vogel vorwärts treiben, sind es die sekundären Schwungfedern, die sein Körpergewicht gegen die Schwerkraft tragen. Die Deckfedern, die kleineren Federn, die die Basis der primären und sekundären Schwungfedern bedecken, erfüllen eine andere Funktion als die Erzeugung von Schub oder Auftrieb: Sie dämpfen die Übergänge zwischen den verschiedenen Bereichen des Flügels und verringern die Ablösung der Luftströmung über der Flügeloberfläche – dasselbe Phänomen, das, wenn es unkontrolliert auftritt, zum Strömungsabriss führt. Die Alula, die Feder, die dem Daumen des Vogels entspricht, wirkt wie eine Vorflügelklappe: Sie verzögert den Zeitpunkt, an dem sich die Luftströmung von der Flügeloberfläche ablöst, und damit die Strömungsabrissgeschwindigkeit, bei der der Flügel nicht mehr genügend Auftrieb erzeugt. Dank des Alula kann der Vogel auch bei geringeren Geschwindigkeiten stabil fliegen, als es mit einem Flügel ohne diesen Mechanismus möglich wäre.

Die primären Schwungfedern, die den Flügel antreiben, die sekundären Schwungfedern, die den Auftrieb aufrechterhalten, die Deckfedern, die den Luftstrom glätten, und der Alula, der den Strömungsabriss verzögert, zeigen gemeinsam, dass Federn nicht nur eine passive Flügelbedeckung sind, sondern vielmehr die Aktuatoren, die diese starre Knochenstruktur in die kontinuierliche und rekonfigurierbare Oberfläche verwandeln, die das gesamte Flugrepertoire des Vogels ermöglicht.

ID:336