Während unsereins eher wie ein schwerfälliger Öltanker im Wasser dümpelt, sind Fische und Wale bestens an die Fortbewegung im kühlen Nass angepasst. Ihr stromlinienförmiger Körperbau lässt sie scheinbar ohne Anstrengung mit einem Flossenschlag durch das Wasser gleiten. Die Flossen selbst spielen dabei aber auch eine entscheidende Rolle.
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Auf der Suche nach einem geeigneten Antrieb für U-Boote und Unterwasser-Roboter untersuchten Ingenieure an der Lehigh Universität in Bethlehem (USA) die Schwanzflossen von Walen. Sie fragten sich, wie die Form und die Bewegung der Flosse zusammenspielen, um die Tiere möglichst energieeffizient vorwärts zu bewegen.
Delfin mit Beluga-Flosse
"Wir untersuchen, was am Design der Tiere für ihre Schwimmleistung oder die Strömungsmechanik ihrer Bewegung von Vorteil ist", sagt Studienleiter Keith Moored. Dafür generierten die Forscher Computermodelle von fünf verschiedenen Walarten: Großer Tümmler, Zügeldelfin, Großer und Kleiner Schwertwal und Beluga.
Dann vertauschten die Forscher die Daten für Schwanzflossenform und Flossenbewegung zwischen den Arten. Das Ergebnis überraschte: Die Schwertwal-Flosse war die effizienteste, egal ob sie auf Delphin- oder Beluga-Art bewegt wurde. Die Beluga-Bewegung war dagegen stets effizient, egal mit welcher Flosse.
Masse in Bewegung
Davon ausgehend konnten die Forscher ihre Modelle erweitern und fanden heraus, wie verschiedene Aspekte der Strömungsmechanik interagierten. Zum einen spielen Zirkulationskräfte eine Rolle, die auch beim Auftrieb von Flugzeugen beteiligt sind. Zum anderen ist die zusätzliche Masse entscheidend. Darunter versteht man in der Strömungslehre die Trägheit, die durch das zu verdrängende Wasser verursacht wird.
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"Ein Flossenschlag erzeugt Kräfte wie ein Flugzeug, aber auch zusätzliche Masse, die davon abhängt, wie schnell die Flüssigkeit beschleunigt wird", sagt Moored. "In der Vergangenheit hat niemand daran gedacht, dass diese Kräfte für die Fortbewegung von Walen relevant sind." Die vorliegende Arbeit zeigt nun, dass sowohl Form als auch Art der Bewegung für die Effizienz eines Antriebs von Bedeutung sind. (Friederike Schlumm, 27.5.2020)