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Evolution: Das Mysterium des Vogelflugs

Von "natur"-Autoren Peter Laufmann und Sven Achtermann

Künstliche und echte Vögel: Abgehoben Fotos
Luke Roberts/ University of Maryland

Kürzlich haben Forscher einen Roboter vorgestellt, der fliegen kann wie ein Vogel - jedenfalls fast. Die Komplexität und Eleganz des Vogelflugs bleibt für Ingenieure noch immer ein kaum erreichbares Vorbild. Zudem hat die Evolution eine Vielzahl von Flugmodellen hervorgebracht.

War es Neid? War es Angst? Oder einfach das Gefühl, dem Menschen zeigen zu wollen, wer es in der Luft wirklich drauf hat? Man kann nur spekulieren, was den Habicht geritten hat, als er den Prototypen eines Roboter-Rabens am Maryland Robotics Centers in den USA immer wieder mit den Krallen packte und zum Absturz brachte. Jedenfalls verzögerte er damit bis zuletzt die Entwicklung der ersten Maschine, die den Flug eines Vogels samt aller Manöver fast präzise nachahmen kann. So wurde der "Robo Raven" erst kürzlich offiziell vorgestellt.

Immerhin hätten die Attacken des Habichts bewiesen, so Projektleiter Satyandra K. Gupta, wie lebensnah die Flatterbewegungen seines Rabens seien. Der Raubvogel nahm ihn als Konkurrenz wahr. Doch der Ingenieur sagt auch: "Wir sind erst am Anfang. Es braucht noch erhebliche Verbesserungen, bis es passieren könnte, dass ein Vogelbeobachter unseren Roboter mit einem echten Vogel verwechselt."

Der Vogelflug ist ein unglaublich komplexer Vorgang, perfektioniert in Jahrmillionen der Evolution. Schon seit jeher übt er auf uns Menschen eine große Faszination aus. Mit Ehrfurcht haben wir Jahrtausendelang zu Amsel, Drossel, Fink und Star aufgeblickt und uns gefragt: "Wie, zum Teufel, schaffen die es, nicht herunterzufallen?" Heute wissen wir es, aber diesen Vorgang in seiner ganzen Eleganz nachzuahmen, scheint fast unmöglich.

Die lange Tüftelei der Natur hat sich gelohnt

Erst seit gut hundert Jahren sind wir überhaupt in der Lage, uns fliegend in der Luft zu halten. Bis dahin blieb der Mensch nur solange oben, wie es eben dauerte, bis er auf den Boden fiel. Oder aber wir schwebten in einem Ballon. Das verschaffte uns zwar Überblick, aber echtes Fliegen ist das nicht. Dazu gehört eben mehr: Mensch wie Vogel müssen dabei zwei physikalische Gegenspieler überwinden. Zum einen die Schwerkraft, denn es gilt, den Körper entgegen der Erdanziehung in die Luft zu hieven. Und zum anderen den Luftwiderstand, denn sonst kommt man nicht vorwärts, wenn man einmal oben ist.

Das ist schwieriger, als die Banalität einer Flugreise es heute vermuten lässt. Und es ist keinewegs mit einem einfachen Auf und Ab zweier Holzbretter getan. Nicht von ungefähr hat die Evolution etliche Millionen Jahre daran herumgetüftelt. Es brauchte beispielsweise einen Körper aus leichten und dennoch stabilen Knochen. Es brauchte Federn, die aus Reptilienschuppen gebildet wurden. Es brauchte Muskeln, die kräftig und ausdauernd zugleich waren, und es brauchte die richtige Technik, die aus dem Gleiten ein Fliegen machte. Evolutionsbiologen schätzen, dass der erste Vogel vor gut 150 Millionen Jahren flog. Obwohl der berühmte Archäopteryx noch längst nicht mit seinen modernen Nachfahren mithalten konnte, soll er bereits imstande gewesen sein, vom Boden aus zu starten.

Vögel sind unseren Flugapparaten weit überlegen

Auch wenn diese Anfänge wohl noch recht unbeholfen aussahen, heute sind Vögel die Könige der Lüfte, jedem unserer Flugzeuge technisch und aerodynamisch weit überlegen. Das Grundmodell Vogel fliegt mit Arm- und Handschwinge. Die Armschwinge ist dabei vergleichbar mit der Tragfläche eines Flugzeugs. Sie wird relativ wenig bewegt und hält den Vogel in der Luft. Dabei wirkt dasselbe Prinzip wie beim Flugzeugflügel: Luft strömt von vorne auf ihn zu und zieht oben und unten vorbei. Doch durch die gewölbte Form des Flügels ist der Weg für die Luft an der Oberseite länger. Die Folge ist, dass sie schneller fließt als an der Unterseite, weil ja schon wieder Luft nachdrückt. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der den Flügel und damit das ganze Flugzeug nach oben saugt - Ingenieure nennen das "dynamischen Auftrieb".

Für diesen Sog braucht es aber den Schub - also eine Kraft, die für Vortrieb sorgt. Das übernimmt bei Flugzeugen klassischerweise der Propeller. Der Propeller des Vogels ist seine Handschwinge. Deren Federn sind optimal geformt und verwunden, um beim Schwung Luft zu quirlen und sozusagen ein Loch zu schaffen, durch das der Vogel fliegt.

In der Bewegung sieht das so aus: Der große Brustmuskel des Vogels - daher sein breites Brustbein - zieht die Flügel von oben hinten nach unten vorne. Und nicht wie bei unserem Brustschwimmen von vorne oben nach unten hinten. Dann zieht der kleine Brustmuskel die Schwinge schnell am Körper vorbei in die Ausgangsposition. Ginge die Schwinge nur wie ein Brett auf und nieder, würde der Aufschwung den ganzen Körper wieder nach unten drücken.

Aerodynamischer Gimmick

Den Federn kommt dabei nicht nur eine tragende Rolle zu, sie dienen auch als Energiespeicher, der wie eine Spiralfeder Energie aufnimmt und verzögert wieder abgibt. Besonders die Fingerfedern sind dabei einer enormen Belastung ausgesetzt.

Ein aerodynamischer Gimmick ist die sogenannte Alula. Das sind die Federn am Daumen des Vogels. Sie sorgen dafür, dass die Strömung am Flügel bei langsamem Flug nicht abreißt. So wie beim Flugzeug: Auch hier wird bei Start und Landung, also wenn das Tempo gering ist und ein Strömungsabriss droht, eine zusätzlich Klappe ausgefahren, um die Tragfläche zu vergrößern. Strömungsabriss heißt, dass die Luft nicht mehr schnell genug vorbeiströmt, um den Aufwärtssog sicherzustellen.

Soviel zur Theorie. Aber wer sich die verschiedenen Vogelarten einmal anschaut, sieht, dass die Evolution ganz unterschiedliche Flieger hervorgebracht hat. Je nach Lebensraum und den Bedürfnissen der Vögel gibt es sozusagen Spezialanfertigungen. Im Prinzip würden alle gerne nur gleiten, weil dies am sparsamsten ist - das geht aber nicht. Bei vielen Vögeln lassen es die Lebensumstände schlicht nicht zu, so dass sie ohne das anstrengende Schlagen ihrer Flügel nicht in die Luft kommen.

Da ist - sozusagen als Standardmodell - der Möwenflügel. Er ist gleichermaßen für den Schlag- und den Gleitflug geeignet.

Die meisten unserer Singvögel sind dagegen spezialisiert auf den Schlagflug, auch Ruderflug genannt. Sie müssen rudern, um in der Luft zu bleiben. Wobei auch sie versuchen, immer wieder kurze Abschnitte zu gleiten oder mit angelegten Flügeln wie eine Rakete durch die Luft zu schießen. Diesen Vögeln ist gemeinsam, dass ihre Flügel eher kurz und breit sind.

Adler, Geier und Störche hingegen sind gute Gleiter. Sie nutzen aufsteigende, warme Luft und legen mit dieser Thermik weite Strecken zurück, oder sie kreisen, ohne mit den Flügeln schlagen zu müssen.

Bemerkenswert sind Sperber, Habicht und Eule. Ihre Flügel sind ebenfalls relativ kurz und haben runde Handschwingen - ideal, um im Wald enge Kurven zu fliegen und den Bäumen auszuweichen, um der Beute zu folgen. Eulen haben zudem einen haarähnlichen Flaum auf den Flügeln. Er dämpft das Rauschen, wodurch sie nahezu lautlos auf Jagd gehen können.

Kolibris verdrehen ihre Flügel wie eine Acht

Ein Sonderfall sind auch die Kolibris: Die kleinen Vögel verdrehen ihre Flügel wie eine Acht, und das in einem Tempo, das seinesgleichen sucht - sie schaffen bis zu 90 Schläge pro Sekunde. Kolibris schwirren regelrecht durch die Luft und sind gar nicht in der Lage zu gleiten. Dafür können sie aktiv nach unten beschleunigen und sogar rückwärts fliegen! Das hat natürlich seinen Preis; ihr Stoffwechsel ist selbst im Ruhezustand so hoch, dass schon ein verregneter Tag ohne Futter ihren Tod bedeuten kann.

Sogar Pinguine sind bemerkenswerte Flieger - nur eben unter Wasser. Dort spielen sie ebenso elegant mit dem nassen Medium wie ihre fliegenden Verwandten mit der Luft.

Trotz der Unterschiede: Gemeinsam ist allen Arten ihre Energieeffizienz. In unsere Sprache übersetzt heißt das: Sprit sparen, wo es nur geht. Meister darin ist der Albatros. Seine Flugtechnik ist der dynamische Segelflug - an Eleganz ist er kaum zu überbieten. Dafür braucht der große Vogel allerdings unterschiedliche Windgeschwindigkeiten, wie sie über dem Meer herrschen. Dann fliegt er quasi von ganz allein: In der einfachsten Variante segelt er zunächst gegen den langsameren Wind dicht über den Wellen und lässt sich emportragen, wendet und rauscht dann mit den schnelleren Winden vorwärts. Anschließend wieder gegen den Wind hoch, mit dem Wind vorwärts und so weiter. Auf diese Weise kann er Tausende von Kilometern zurücklegen und mehr als 120 Stundenkilometer erreichen, ohne auch nur einmal mit den Flügeln zu schlagen. Alles, was der Langstreckenkünstler tut, ist, seine Flügelstellung zu ändern. Richtig gut funktioniert das rund um die Antarktis. Dort herrschen konstante Windbedingungen, die für diese Technik perfekt sind.

An der Anmut müssen wir noch arbeiten

Allerdings werden selbst Vögel nicht mit der optimalen Flugtechnik geboren. Auch das Fliegen übers Meer muss erst erlernt werden, Jungtiere haben dafür sogar "Lernflügel", eine Vorstufe zum Flügel der Erwachsenen mit Eigenschaften, die ihre Handhabung erleichtern: Sie sind breiter und laufen nicht so spitz zu wie die Schwingen der Älteren. Erst mit wiederholter Mauser gleichen sie sich nach und nach dem Modell der Eltern an.

Selbst unter erwachsenen Vögeln derselben Art gibt es noch unterschiedliche Vorlieben beim Fliegen. Oder besser: beim Landen. Gut zu sehen ist das an Helgolands Vogelfelsen. Basstölpel kämpfen dort mit dem Problem, dass Aufwinde ihnen die Landung an ihren Brutplätzen im Fels erschweren. Sie müssen also die Kraft des Windes so mit ihren Flügeln abbauen, dass sie punktgenau treffen. Das geschieht zum Beispiel dadurch, dass sie die Flügel zusammenlegen und ihre Füße als Leitbleche benutzen.

Aber egal, wie die Vögel fliegen, sie beherrschen es. Und der Mensch lernt noch von ihnen: Auch wenn der Robo-Rabe schon einiges besser macht als alle bisherigen Vogelflugversuche des Menschen: Er vollbringt selbst komplizierte Flugmanöver, weil seine beiden Flügel unabhängig voneinander funktionieren und er dank modernster Baustoffe und Fertigungstechniken leicht wie eine Feder ist. Doch an der Anmut, wie sie ein Albatros oder auch ein Spatz ausstrahlt - daran müssen wir noch arbeiten.

Dieser Artikel stammt aus "natur" 10/2013, dem Magazin für Natur, Umwelt, nachhaltiges Leben

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insgesamt 18 Beiträge
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1. So entsteht eben kein Auftrieb!
ca-max 04.11.2013
Woher weiß die Luft, daß es oben herum “weiter“ ist? Und wie viel weiter? Warum beschleunigt die Luft oben am Flügel weitaus stärker, als es zur Überwindung einer Wegdifferenz notwendig wäre? Alles mißinterpretierter Bernoulli, der arme Mann kann sich ja nicht wehren. Die Flügelwölbung, netto hinten etwas tiefer gezogen als vorn, besorgt einen Abwärtsstrom der Luft. Luft((masse) nach unten beschleunigt = Reaktionskraft nach oben = Auftrieb, ist das so schwer? Beim Propeller spürt es Jeder. Beim Flügel werden alle - selbst Flieger – abergläubisch. Newton fliegt, Bernoulli liegt.
2. Kürzlich?
herr_klaemmerle 04.11.2013
Bereits 2011 hat eine bekannte Pneumatikfirma aus Esslingen einen Robotervogel hergestellt. Und eine Libelle... Festo - SmartBird - YouTube (http://www.youtube.com/watch?v=nnR8fDW3Ilo)
3. Ein Roboter der fliegt wie ein Vogel? Alter Hut!
anfang 04.11.2013
Naja, der Festo SmartBird fliegt schon seit Jahren, zusammen mit der fliegenden Qualle und der Robo-Libelle
4. hat der Autor Deutsche Forscher übersehen?
tho-r 04.11.2013
bereits 2011 hat ein schwäbisches Unternehmen den Vorgelflug entschlüsselt. Dieser Smartbird sieht auch viel schöner uns besser nachgeahmt, als das amerikanische Produkt. Hat das der Autor übersehen? Wozu gibt es Suchmaschinen?
5. Recherche unvollständig..
julykuehn 04.11.2013
...sonst wäre die Konstruktion "Smart Bird" der deutschen Firma FESTO mindestens genannt worden.(guckst du Youtube)
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Vogelflügel
Ein Vogelflügel ist standardmäßig so aufgebaut: Die Armschwinge hat maximal 40, die Handschwinge maximal 11 Federn, die Alula besitzt 3 oder 4 Federn. 50 Muskeln sind an der Flügelbewegung beteiligt.
Insekten
Insekten sind die Flugpioniere schlechthin, die ersten Tiere, die das Fliegen gelernt haben. Die meisten Arten haben zwei Flügelpaare, also vier Flügel. Es gibt aber einen Trend zur Zweiflügeligkeit - sie ist einfacher zu handhaben.

Fledermäuse
Fledermäuse haben eine Tragfläche, die von den Fingern bis zu den Füßen gespannt ist. Sie sind gute und ausdauernde Flieger. Der Große Abendsegler etwa fliegt jährlich bis zu 1546 Kilometer, wie an einem beringten Tier nachgewiesen wurde.
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