Der perfekte Flügel - wissenschaft.de
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Der perfekte Flügel

Bild: The Applied Math Lab, NYU’s Courant Institute of Mathematical Sciences

Wer schon mal einen Papierflieger gefaltet hat, weiß: Falttechnik und Form sind entscheidend für den Flugerfolg. Und mit ein bisschen Übung kann sogar die Flugkurve und -dauer optimiert werden. Doch so einfach wie es scheint, ist die Sache mit dem Fliegen nicht. Ein Team aus Mathematikern der New York University hat nun erforscht, welche Flügelform ideal ist, um möglichst schnell fliegen zu können. Das hängt zum Beispiel davon ab, wie stark die Luftwirbel sind, die durch das Flattern der Tragflächen entstehen.

Teamleiter Leif Ristroph, Mathematik-Professor an der New York University, erklärt: „Wir haben im Labor die biologische Evolution simuliert, indem wir Flügel in unterschiedlichen Formen weiterentwickelt haben.“ Die Forscher experimentierten mit zehn verschiedenen Flügelformen aus dem 3D-Drucker, von denen einige besonders lang, andere besonders dünn waren. Ein Algorithmus wählte die Flügel aus, mit denen die höchste Antriebsgeschwindigkeit erreicht wurde. Dann kombinierten die Forscher jeweils zwei Flügel und testeten anschließend diese neue Flügelform. Ristroph und sein Team entwickelten so 15 Generationen von immer wieder verbesserten Flügeln.

Die beste Flügelform

Allerdings testeten die Wissenschaftler ihre Modellflügel nicht im Windkanal, sondern im Wasser. Denn es ist egal  ob unter Wasser oder in der Luft: Die Strömungslehre funktioniert in diesem Fall gleich. Wirbel sichtbar zu machen, gelingt jedoch weitaus besser im Wasser. Für ihr Experiment färbten die Forscher die Vorderkante der Flügel rot ein, die hintere Kante grün. Anschließend wurde jeder Flügel in Wasser getaucht und mechanisch auf- und abgeschlagen, um das Flattern zu simulieren. Dabei entstanden bunte Wirbel, wie sie auf dem Bild zu sehen sind. Es zeigte sich, dass ein Flügel in der Form einer langgezogenen Träne den Wasserstrom am effizientesten nutzen kann, um Stoßkraft zu entwickeln. Entscheidend bei dieser Form ist, dass die an der Vorderkante erzeugten Wirbel schwach und diffus sind und sich so weniger in die hinteren Wirbel mischen. Diese sehr starken Wirbel entstehen, wenn der Flügel Flüssigkeit wegstößt, um vorwärts zu treiben. Ein Video des Versuchsaufbaus veranschaulicht die einzelnen Schritte des Experiments.

Die Fachzeitschrift „Proceedings of the Royal Society A“ veröffentlichte die Ergebnisse.

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