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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-6411
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2006/641/


Schlagflug des Stars (Sturnus vulgaris) im Windkanal mit und ohne respiratorische Maske: Kinematik, Aerodynamik und Energetik

Flapping flight of starling (Sturnus vulgaris) in a windtunnel with and without respirometry mask: kinematics, aerodynamic and energetics

Möller, Udo

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SWD-Schlagwörter: Kinematik , Energetik , Aerodynamik , Vogelflug , Photogrammetrie , Windkanal
Freie Schlagwörter (Deutsch): Stereophotogrammetrie
Freie Schlagwörter (Englisch): kinematics , energetics , aerodynamic , birdflight
Institut: Fachrichtung 8.3 - Biowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Tiere (Zoologie)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Bilo, Dietrich (Prof. Dr. rer. nat.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.06.2006
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 13.07.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Neben direkten Messungen der metabolischen Leistung mittels Respirometrie oder anderer Verfahren stellen aerodynamische Modelle die Grundlage der Diskussion zur Flugenergetik dar. In der Arbeit wird die Untersuchung von aerodynamischen und kinematischen Parametern, die als Grundlage für aerodynamische Modellrechnungen dienen, und die Beschreibung des Einflusses des Tragens einer respiratorischen Atemmaske mit Schlauch beim Windkanalflug eines Stars (Sturnus vulgaris) auf diese Parameter untersucht.
Ein Star wurde für den Streckenflug im Windkanal bei verschiedenen Geschwindigkeiten mit und ohne respiratorische Maske trainiert. Ausgewählte Flüge bei vier Geschwindigkeiten (6m/s, 8m/s, 10m/s, 13m/s) mit und ohne respiratorische Maske wurden mittels zweier synchronisierter Hochgeschwindigkeitskameras mit 255 Bildern/s gefilmt. Die stereophotogrammetrische Filmauswertung und die Ermittlung von Raumkoordinaten aus digitalisierten Bildpunkten von 5 aufeinanderfolgenden Flügelschlägen wird beschrieben. Die Auswertemethoden, die Rechenwege sowie die Vorgehensweise werden erläutert, dabei auftretende Fehler werden abgeschätzt und auf ihre Auswirkungen auf die Ergebnisse diskutiert.
Die Auswahl der für die kinematische Analyse benutzten Größen wird erläutert und der Einfluss der Geschwindigkeit und des Tragens der Maske auf Rumpf-, Flügel- und Schwanzkinematik werden dargestellt.
Der Star ändert seine Kinematik in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit und dem Tragen der Maske. Beim Tragen der Maske treten zusätzliche Kräfte auf (erhöhter Widerstand, zusätzliches Nickmoment), welche diese Flüge unruhiger erscheinen lassen, was sich z. B. durch stärker aus dem Gefieder herausragende Beine, Öffnen des Schnabels und häufigere Positionswechsel zeigt.
Die Ergebnisse der kinematischen Analyse und die durch Windkanalmessungen von GESSER (1998) an einem Starenmodell gewonnenen Resultate dienen der Berechnung des von den Flügeln erzeugten Hubs und Schubs anhand eines einfachen aerodynamischen Modells unter der Annahme stationärer Strömungsverhältnisse. Der Einfluss von Anstellwinkel, Fläche und Anblasgeschwindigkeit des Arm- und Handfittichs auf die von den Flügeln erzeugten Kraftkomponenten (Auftrieb, Widerstand, Hub, Schub) wird erläutert. Die Ergebnisse der Berechnungen bei 13m/s werden dargestellt.
Der Handfittich erzeugt während des Abschlags 40% mehr Auftrieb und 55% mehr Hub als der Armfittich. Beim Flug mit Maske sind Auftrieb und Widerstand größer als ohne Maske (40% Armfittich, 50% Handfittich für den Auftrieb und 50% bis 130% für den Widerstand).
Die Huberzeugung oszilliert flügelschlaggebunden. Der im Flug mit Maske während des Abschlags erzeugte Hub ist um etwa 30% größer als beim Flug ohne Maske.
Die Schuberzeugung geht vor allem auf den Handfittich zurück, dieser erzeugt während des gesamten Abschlags positiven Schub. Beim Flug mit Maske ist das Schubmaximum des Handfittichs um 45% bis 145% gegenüber dem Flug ohne Maske erhöht und steigt damit stärker an als der Hub.
Der mittlere Hub für die 5 untersuchten Flügelschläge übersteigt den anhand von Windkanalmessungen an einem Starenmodell in Gleitflughaltung abgeschätzten erforderlichen Hub für die Überwindung des Vogelgewichts sowie die Aufwärtsbeschleunigung im Windkanal sowohl für den Flug mit als auch ohne Maske um 74% (mit Maske) bzw. 45% (ohne Maske). Der mittlere Schub ist für den Flug ohne Maske um 23% und für den Flug mit Maske um 4% geringer als der erforderliche Schub für die Überwindung des parasitären Widerstands von Rumpf, Schwanz, Beinen und Maske plus dem für eine Vorwärtsbeschleunigung notwendigen Schub.
Anhand von 3 mathematisch-aerodynamischen Modellansätzen nach der Impulsstrahltheorie bzw. der Ringwirbeltheorie werden die parasitäre und induzierte Leistung sowie die Profilleistung berechnet, die mechanische Flugleistung als deren Summe für die untersuchten Flüge bestimmt, wobei der Einfluss der aus dem Gefieder herausragenden Beine sowie der Einfluss von Maske und Schlauch auf die par. Leistung berücksichtigt wird.
Mit steigender Geschwindigkeit nimmt die mechanische Leistung zu, mit Maske sind die Flüge energetisch ungünstiger, der Unterschied ist im mittleren Geschwindigkeitsbereich geringer.
Die mechanische Leistung nimmt nach der Ringwirbeltheorie beim Ansatz nach GESSER/RAYNER von 1.025W bei 6 m/s auf 1.720W bei 13m/s beim Flug ohne Maske zu, mit Maske steigt die Leistung von 1.474W bei 6m/s auf 3.033W bei 13 m/s.
Das Tragen einer respiratorischen Maske mit Schlauch zeigt einen deutlichen Einfluss auf die ausgewählten Größen. Die Flüge mit Maske sind unruhiger, die Schwankungen größer als beim Flug ohne Maske und der Vogel produziert verstärkt Hub und Schub. Der Einfluss von Maske und Schlauch überlagert zudem den Einfluss der Windgeschwindigkeit. In der Summe nimmt die mechanische Flugleistung beim Tragen der Atemmaske um minimal 3% (8m/s) bis maximal 65% (13m/s) zu, wenn man sie auf gleiche Vogelmasse skaliert.
Kurzfassung auf Englisch: In addition to direct measurements of metabolic power using respirometry or other methods, aerodynamic modelling provides the basics for discussion of flight energetics. The main subject of the presented work is the analysis of aerodynamical and kinematical parameters which are necessary for aerodynamic modelling. The influence on these parameters by wearing a respirometry mask with tube during flight of starling (Sturnus vulgaris) in a windtunnel is described.
A starling was trained for long distance flight in a windtunnel using different velocities with and without wearing a respirometry mask. Chosen flights at four different velocities (6m/s, 8m/s, 10m/s und 13m/s) with and without wearing a respirometry mask were filmed using two synchronised highspeed-cine-cameras at 255 frames/sec and the experimental setup is described. Stereophotogrammetric analysis and determination of space-coordinates from digitalised marker points of five consecutive wingflaps is described. Analysis methods and computation are specified and possible errors are appreciated and their impact on the results are discussed.
Choice of kinematic parameters is discussed and the impact of flight velocity and wearing of the respirometry mask on the kinematics of the body, the wings and the tail is illustrated.

The starling changes his kinematics depending on the flight velocity and the wearing of the mask. Wearing of the respirometry mask induces additional forces (higher drag, turning moment) which makes the flights with repsirometry mask appear more unsteady which gives his expression in projection of feet, opening of bill and frequent changes of flight position (see also MÖLLER 1998).

Using the results of the kinematical analysis and the measurements made by GESSER (1998) on a model starling in a windtunnel, a simple aerodynamical model (under assumption of steady flow) was used to calculate the resulting forces acting on the wings. The principal impact of angle of attack, velocity and area of the two portions of the wing on the forces lift, drag and thrust is explained. The results of computation for flight velocity 13 ms-1 with and without mask is illustrated.
Handwing produces 40% greater lift and 55% greater vertical force then armwing during downstroke. Flying with respirometry mask gives rise to lift and drag, +40% for the liftinbg force produced by armwing , +50% for handwing and 50-130% for calculated thrust.
The production of vertical forces oscillates according to flapping. Vertical force produced by arm- and handwing during masked flight is 30% higher than in unmasked flight.
Generation of thrust was mainly induced by handwing which generates positive thrust throughout the whole downstroke. Flying with respirometry mask gives a 45% - 145% higher maximum of thrust than flying without mask and rises therefore stronger than vertical force.
Average vertical force for the five consecutive wingbeats is greater than the required vertical force (mass of bird plus force used to rise in the windtunnel) which was calculated using a starling model in gliding flight. Average vertical force was +74% (with mask) and +45% (without mask). Average horizontal force (thrust) is 23% (with mask) and 4% (without mask) smaller than required horizontal force (force required to overcome parasite drag of body, tail, feet and mask plus force for acceleration in the windtunnel).
Three different approaches for aerodynamical modelling according to lifting-line-theory and vortex-ring-theory were used to estimate parasite, induced an profile power. Mechanical power was calculated as a sum of these three powers and the influence of respirometry mask and tube and the projection of the feet to parasite power was considered.
Accelerating flight velocity leads to a higher mechanical power. Masked flight raises the mechanical power, with highest difference at 6m/s und 13m/s.
Mechanical power rises according to vortex-ring-theory using the model of RAYNER/GESSER from 1.025W at 6m/s to 1.720W at 13m/s in the unmasked flight, flying with mask gives a rise from 1.474W at 6m/s to 3.033W at 13m/s.
In total, flights with respirometry mask shows a significant influence on the chosen kinematical parameters. Flights with masks are more anxious, undulations of the chosen parameters are higher then in unmasked flights and higher lift and thrust are produced. The influence of mask and tube superposes the influence of flight velocity, resulting in a mechanical power which is at least +3% (8 m/s) up to a maximum of +65% (13 m/s) when scaled to same body mass in all flights.

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