Zwaluwwervels

Experimenteel onderzoek aan een model van de vleugel van een gierzwaluw laat zien dat de vogelvleugel op een heel andere manier `lift' genereert dan een ronde vliegtuigvleugel.

HET KRACHTENSPEL dat op een vogelvleugel werkt is heel anders dan tot nu toe is aangenomen. Zelfs als een vogel niet klapwiekt maar `glijdt' is de vogelvleugel in zijn werking niet te vergelijken met de vleugel van een vliegtuig. Toch wordt dat vaak gedaan. Aan vogelvleugels treden verschijnselen op die eerder doen denken aan het onconventionele vliegen van insecten. In ieder geval geldt dit voor de gierzwaluw.

In Science (10 december) publiceren onderzoekers van de Groningse en Leidse universiteit resultaten van experimenteel onderzoek aan vleugels van gierzwaluwen die waarschijnlijk een nieuwe doorbraak zullen zijn in het begrijpen van het vogelvliegen. Eerste auteur prof.dr. John J. Videler, aan beide universiteiten verbonden, denkt dat de waargenomen verschijnselen aan de vleugels van gierzwaluwen zijn terug te vinden bij bijna alle vogelvleugels. Met misschien alleen de albatros en reuzestormvogel als uitzondering.

De essentie is dat bij gangbare vliegsnelheid en een heel `gewone' stand van de vleugel vlak boven die vogelvleugel, en kort achter de voorrand (de `leading edge') daarvan, een lange cilindervormige werveling blijkt voor te komen waarvan het bestaan tot dusver niet bekend was. Deze werveling oefent een kracht uit loodrecht op het vleugeloppervlak en kan door de vogel zowel voor verandering van de `lift' (opwaartse kracht) als de `drag' (luchtweerstand) worden gebruikt. De zogenoemde `leading edge vortex' (LEV) is voor het eerst beschreven bij vliegtuigen met sterk `teruggeslagen' vleugels (deltavleugels, zoals bij de Concorde) en acht jaren geleden bij insecten. In beide gevallen betekende de ontdekking een stap vooruit in het begrijpen van het vlieggedrag.

fijn stof

Zo'n 25 jaar geleden werd bij proeven met vogels en vlinders die door wolken fijn stof moesten vliegen ontdekt (door o.m. Kokshaysky en Ellington) dat in het kielzog van de dieren een reeks gecompliceerde wervelingen optreden. In 1996 voegden Charles Ellington c.s. in Nature (19/26 december) daar de boven de vleugels van een vlindersoort waargenomen LEV aan toe. Het huidige onderzoek van Videler c.s. ligt ten dele in het verlengde van deze experimenten. Maar in eerste instantie sluit het aan op eerder eigen onderzoek aan het zwemmen van vissen: vandaar dat de experimenten in water werden gedaan. Water waarin fijne zwevende deeltjes zijn opgenomen die goed oplichten als ze van opzij met een laserbundel worden beschenen. Daarvan zijn eenvoudig video-opnames te maken die weer door een computer kunnen worden geanalyseerd.

Stromingseffecten die in water worden gevonden zijn zonder enig bezwaar te vertalen naar de feitelijk te onderzoeken situatie in de lucht, vooropgesteld dat de stroomsnelheid van het water zó wordt aangepast dat het product van stroomsnelheid en dichtheid gedeeld door de viscositeit (stroperigheid) van beide media gelijk is. Deze makkelijk te hanteren voorwaarde werd al in de negentiende eeuw door Reynolds proefondervindelijk vastgesteld.

Na moeizame maar geslaagde experimenten met een echte vleugel van een dode gierzwaluw besloot Videler een model van de zwaluwvleugel te maken. Dat deed hij zelf, `want ik doe aan edelsmeden'. Een tandtechnisch bureau in Groningen heeft het model afgegoten. Tot ergernis en verbazing ontstond bij de zo zorgvuldig nagebootste vleugel van epoxyhars géén LEV.

Totdat Videler de voorrand van het buitenste deel van het vleugeltje met een slijpsteen net zo scherp maakte als hij in werkelijkheid is. Daarna trad de LEV eigenlijk zonder mankeren op, en zelfs al bij een opmerkelijk kleine aanstroomhoek (angle of attack) tussen vliegrichting en vleugeloppervlak. Bij insecten is een aanstroomhoek van 25 tot 45 graden een voorwaarde voor het ontstaan van een LEV. Bij het model van de gierzwaluwvleugel was 5 graden voldoende.

De vleugels van gierzwaluwen en bijna alle andere vogels mogen per se niet worden vergeleken met die van vliegtuigen. Vliegtuigvleugels hebben altijd over hun hele lengte een ronde voorrand, bij vogels is alleen het vleugeldeel dat het dichtst tegen de romp aanzit, de armvleugel, rond van voren. Het buitenste deel, de handvleugel, dat door de slagpennen wordt gevormd heeft juist een heel scherpe voorkant die uit de vlag van de buitenste slagpen bestaat. Het is kennelijk die scherpe rand die de werveling opwekt. Ook insecten hebben vleugels zonder afgeronde voorrand.

albatros

Hoewel gierzwaluwen verhoudingsgewijs een uitzonderlijk lange handvleugel hebben komt het onderscheid tussen arm- en handvleugel, dus tussen een ronde en een scherpe voorrand, bij bijna alle vogels voor. Afgezien van de albatros en de reuzestormvogel, waarvan de vleugelrand over de hele lengte rond is. Het lijkt nu duidelijk waarom deze vogels zo moeizaam landen. De LEV, die bij hen waarschijnlijk niet tot stand komt, kan aanmerkelijk bijdragen aan een goede lift bij lage vliegsnelheid. Hoeveel is nog niet duidelijk, want tot kwantificering van de bijdrage aan de lift is het nog niet gekomen. Ook niet bij insecten trouwens.

De laatste ontdekking van Videler c.s. is een definitieve afrekening met pogingen om wetmatigheden uit de vliegtuig-aerodynamica simpelweg terug te schalen naar vogels en insecten. Meteoroloog/vliegtuigbouwer Henk Tennekes had hiermee geruime tijd veel succes. Zijn boek `De wetten van de vliegkunst' werd in 1997 door MIT Press uitgegeven als `The simple science of flight - From insects to jumbo jets'.