Wie schnell Tiere mit den Flügeln schlagen

Roskilde (Dänemark) - Kolibris schlagen bis zu 80 Mal pro Sekunde mit ihren Flügeln, Mücken bringen es sogar auf 1500 Flügelschläge. Ein Schwan muss dagegen nur zweimal pro Sekunde seine Flügel bewegen, um sich sicher in der Luft zu halten. So unterschiedlich die Frequenzen des Flügelschlags auch sind, folgen sie einer immer gleichen mathematischen Gleichung. Selbst die Frequenz der Flossenschläge von Walen fügt sich in dieses nun von dänischen Forschenden entwickeltes Modell ein. Über diesen universellen, Arten übergreifenden Zusammenhang der Flügelschläge berichten sie in der Fachzeitschrift „PloS ONE“.

Alle diese Tiere streben danach, mit möglichst geringem Energieaufwand zu fliegen. Lange nahmen Biologinnen und Biologen an, dass eine für jede Flügelgröße eindeutige Resonanzfrequenz die Häufigkeit der Flügelschläge bestimmt. Doch dieser Zusammenhang konnte mit Beobachtungen und Messdaten nicht bestätigt werden. Daher betrachtete nun die Arbeitsgruppe um den Physiker Jens Højgaard Jensen von der Universität Roskilde die Schnelligkeit des Flügelschlags von 414 fliegenden und schwimmenden Tieren, darunter 176 verschiedene Insekten, 212 Vogel- und 25 Fledermausarten. Zusätzlich ergänzten sie Daten für die Frequenz der Flossenschläge einiger Walarten. Alle Daten fanden sie bei einer ausgiebigen Literaturrecherche.

Wie erwartet schlagen kleinere Tiere deutlich häufiger mit ihren Flügeln und Flossen als größere. Doch ein einfacher linearer Zusammenhang mit dem Körpergewicht ergab sich aus den verfügbaren Messdaten nicht. Daher ließen die Forschenden zusätzlich auch die Flügelfläche in ihr neues Modell mit einfließen. Das Ergebnis: Die Frequenz des Flügelschlags ist proportional zur Quadratwurzel der Körpermasse geteilt durch die Flügelfläche. Dieser Zusammenhang gilt für alle untersuchten Tierarten mit nur geringen Abweichungen.

Diese Studie zeigt erstmals, dass eine relativ einfache mathematische Gleichung die Frequenz von Flügel- und Flossenschläge beschreiben kann. Die Anwendung reicht sogar über das Flugverhalten heute lebender Tiere hinaus. Denn dank der Gleichung konnten die Forschenden auch die Flügelschlagfrequenz des lange ausgestorbenen Flugsauriers – Quetzalcoatlus northropi – bestimmen. Dieses größte flugfähige Tier der Erdgeschichte schlug seine rund zehn Quadratmeter großen Flügel weniger als ein Mal pro Sekunde, genauer mit einer einer Frequenz von 0,7 Hertz.

So gut die Gleichung für die Bestimmung der Schlagfrequenz aller bekannten flugfähigen Tiere geeignet ist, hat sie doch Grenzen. Denn künstliche, weniger als ein Millimeter große Flugobjekte mit winzigen Flügeln lassen sich mit der Gleichung nicht mehr beschreiben. Denn für die Dynamik der Strömungen solcher fliegenden „Nanobots“ verändern sich die physikalischen Randbedingungen. So dominiert bei sehr kleinen Objekten nicht mehr die Dichte eines Mediums – Luft oder Wasser – das Strömungsverhalten, sondern dessen Viskosität, ein Maß für die Zähflüssigkeit.