E9 Kräfte auf den Vogel im Flug

Thema

Dieses Modul bildet den Dreh- und Angelpunkt des Flugsystems: Es empfängt die von der Tragflügel-Aerodynamik berechneten aerodynamischen Kräfte – Auftrieb und Widerstand, die von der Flügelgeometrie und den Strömungsbedingungen abhängen – sowie den durch die Flügelschlagkinematik erzeugten Schub und kombiniert diese drei Kräfte mit dem Gewicht des Vogels zur resultierenden Kraft, die letztendlich seine Flugbahn bestimmt.

Das Gewicht des Vogels, die vierte Kraft, die sich mit den anderen dreien verbindet, hängt ausschließlich von seiner Masse und der Erdbeschleunigung ab. Es ist die einzige der vier Kräfte, die der Vogel im Flug nicht selbst beeinflussen kann, im Gegensatz zu Auftrieb, Widerstand und Schub, die sich je nach Flügelschlag verändern. Die resultierende Kraft fließt in die Gleichungen ein, die die Flugbahn des Vogels beschreiben: wo er beschleunigt und wie sich seine Flugbahn in jedem Augenblick ändert.

Diese vier Flugkräfte – Auftrieb, Widerstand, Schub und Gewicht – sind nicht unabhängig voneinander. Im Schwebeflug sind Auftrieb und Gewicht exakt gleich, ebenso wie Schub und Luftwiderstand. Wenn diese beiden Gleichgewichte gleichzeitig gelten, befindet sich das Kräftesystem im Gleichgewicht, und der Vogel fliegt geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit.

Jede Abweichung von diesem Gleichgewicht der vier Flugkräfte erzeugt eine resultierende Beschleunigung des Vogels, die seine Flugbahn verändert: Ist der Auftrieb nicht mehr gleich dem Gewicht, steigt oder sinkt der Vogel; ist der Schub nicht mehr gleich dem Luftwiderstand, beschleunigt oder bremst er ab. Der Vogel selbst bewirkt diese Abweichungen vom Gleichgewicht bewusst, indem er durch die Bewegung seiner Flügel Auftrieb, Luftwiderstand oder Schub verändert. Die gleichzeitige Steuerung dieser vier Flugkräfte mit einer Verzögerung von nur Millisekunden zwischen der Wahrnehmung einer Abweichung vom Gleichgewicht und deren Korrektur ist Aufgabe des Nervensystems des Vogels – desselben geschlossenen Regelkreises, der Flügelgeometrie, Muskelkraft und Flügelschlagkinematik in Echtzeit anpasst. Diese Fähigkeit, die vier Flugkräfte mit so kurzer Reaktionszeit zu steuern, macht den biologischen Flug so anpassungsfähig – weit mehr als jedes vergleichbare künstliche Steuerungssystem.

Dieses zentrale Modul ist somit der Punkt, an dem die Aerodynamik des Flügelprofils, die Kinematik des Flügelschlags, das Gewicht des Vogels und das Nervensystem, das die vier Flugkräfte steuert, zusammenwirken, um den tatsächlichen Flugweg eines bestimmten Vogels von Moment zu Moment zu bestimmen. Keines dieser Module allein kann diesen Flugweg vorhersagen, ohne zuvor das Gleichgewicht – oder das bewusst herbeigeführte Ungleichgewicht – von Auftrieb, Widerstand, Schub und Gewicht zu berücksichtigen.

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