Het geheim van de vrije vlucht

Gierzwaluwen en kolibrievlinders inspireerden David Lentink tot vliegtuigjes. Maar misschien vliegt een minihelikopter nog beter. Michiel van Nieuwstadt

Foto Rien Zilvold ==== wageningen david lenting foto rien zilvold
Foto Rien Zilvold ==== wageningen david lenting foto rien zilvold

David Lentink vindt vliegtuigen eigenlijk maar saaie dingen. “Vogels zijn zo veel interessanter”, zegt de in Delft opgeleide lucht- en ruimtevaartingenieur. Hij laat een uilenvleugel door zijn handen gaan. “Kijk naar de opbouw, de stuctuur, de veren. Een vogel is zo complex, wetenschappelijk zoveel interessanter dan een Boeing 747.”

Aan het instituut voor Experimentele Zoölogie in Wageningen leerde Lentink in de afgelopen vier jaar dat niet alleen de aerodynamica van een vogel telt, maar ook de omgeving en het gedrag. “Wist je dat je hier in Wageningen op het marktplein onderzoek aan gierzwaluwen kunt doen? Ondertussen kun je op het terras een biertje drinken. Het afgelopen voorjaar zag ik gierzwaluwen paren in de lucht. Ze landen op elkaar en vliegen een eindje door als een soort dubbeldekker. Geniaal.”

Op zijn zestiende bouwde Lentink zijn eerste modelvliegtuig. Intussen, op zijn 33ste, heeft hij van zijn hobby zijn beroep gemaakt. Aanstaande dinsdag promoveert hij in Wageningen op een veelzijdig onderzoek naar de aerodynamica van zwemmende en vliegende dieren.

De modelbouw was in zijn wetenschappelijke carrière nooit ver weg. Lentink nam tijdens zijn promotieonderzoek het initiatief voor de bouw, door Delftse studenten, van de Roboswift, een vliegtuigje dat net als een gierzwaluw zijn vleugels naar achteren kan vouwen door in elke vleugel vier koolstof kunstveren over elkaar heen te schuiven. Hij was ook de initiator van de Delfly, een nog veel kleiner vliegtuigje dat vliegt als een insect.

RANK

Lentinks kennis van het vliegen van insecten gaf hem het vertrouwen om met de Delfly een vliegtuigje te bedenken dat met zijn vleugels slaat in een hoek van 45 graden op de richting waarin hij zich voortbeweegt. Een groot vliegtuig dat zijn vleugels zo richt, zou pardoes uit de lucht vallen, maar een insect heeft er geen problemen mee. Ook heeft de Delfly vrij brede vleugels, net als veel insecten en anders dan het doorsnee modelvliegtuig dat juist wordt voorzien van vleugels die zo rank mogelijk zijn.

Pikant is dat Lentinks enthousiasme voor flapperende minivliegtuigjes ietwat bekoeld is. Intussen beschouwt hij vleugelrotatie, zoals bij een helikopter, als het interessantste uitgangspunt voor het ontwerp en de bouw van een nóg kleiner toestelletje. Dit is het type minivliegtuigjes waar militairen en andere specialisten reikhalzend naar uitzien. Ze zouden ongemerkt kunnen spioneren en op ‘onmogelijke’ plekken kunnen doordringen.

Lentinks geloof in minihelikoptertjes komt direct voort uit zijn promotieonderzoek. Tijdens een verblijf aan de onderzoeksgroep van fruitvliegspecialist Michael Dickinson aan het California Institute of Technology haalde hij uitvergrote fruitvliegvleugels heen en weer in een vloeistoftank van circa twee kuub. Lentink vulde de tank onder andere met olie, een vloeistof die stroperiger is dan water. Die aanpassing was nodig was om met de veel te grote fruitvliegvleugel realistisch de fysica van een piepklein vleugeltje in de lucht na te bootsen.

Lentink had verwacht dat zijn experimenten zouden bevestigen wat veel ingenieurs en biologen tot op dat moment veronderstelden: dat een vliegje met zijn vleugels in een vaste stand – net als een vliegtuig – maar moeilijk voldoende lift zou kunnen creëren om te kunnen blijven zweven. Flapperen met de vleugels zou op deze schaal veel efficiënter zijn, was de gedachte.

FLAPPEREN

Maar tot Lentinks verrassing had de fruitvlieg die zijn vleugels stilhield niet veel meer energie nodig om te vliegen dan de fruitvlieg die met zijn vleugels flapperde. Veruit superieur was een fruitvliegvleugel die roteerde als een helikopterblad. “Flapperen bleek het minst efficiënt”, zegt Lentink. “En dat gold ook voor een dier van het formaat huisvlieg of kolibrie. Dat resultaat had ik echt niet zien aankomen.”

Daarmee is de initiator van Nederlands bekendste klapwiekvliegtuig tot inkeer gekomen. “Als ik nu een nieuw project zou opstarten voor een microvliegtoestel, dan zou ik een helikopter bouwen”, zegt hij.

Uit Lentinks onderzoek naar de complexe luchtstromingen die ontstaan rond kleine insecten concludeert hij dat zo’n toestel een spanwijdte zou kunnen hebben van een millimeter, vijf keer kleiner dan een fruitvlieg. De kleinste vliegtuigen hebben nu een spanwijdte van een paar centimeter en vliegen langs een rail die ze voorziet van stroom en stabiliteit.

Lentink koos voor een studie aan de faculteit Lucht- en Ruimtevaart in Delft, omdat hij meer van kleine vliegtuigjes wilde begrijpen. Maar voor een wetenschappelijke aanstelling was in Delft geen geld. En op de vakgroep Experimentele Zoölogie van de Universiteit Wageningen, waar hij vier jaar geleden als assistent in opleiding kon beginnen, bouwt Lentink geen vliegtuigjes meer. Toch kan hij zijn liefde voor ontwerp en constructie uitleven. Dat blijkt uit een rondleiding die hij geeft langs een reeks ingenieuze proefopstellingen. Er is een hoepelvormige doorzichtige vissensloot die kan draaien. De constructie dient om het zwemgedrag van de larven van zebravissen optimaal te kunnen registreren met camera’s die erboven hangen. In een andere ruimte staat een constructie met twee lange nylondraden waartussen Lentink een dunne zeepfilm kan trekken. Als hij een minuscuul vleugeltje haalt door deze ontaarde ‘zeepbel’ (hij is plat en rechthoekig), dan ontstaan in het kielzog prachtige complexe wervelpatronen, Lentink filmde ze met een hogesnelheidscamera.

Voor zijn afstudeeropdracht heeft Lentink de aerodynamica van het vliegen ook op de computer gesimuleerd, maar experimenten in windtunnels en vloeistofbakken zijn daaraan superieur, zegt hij. “Voor het simuleren van de omstroming van een vleugel was de computer dertig dagen aan het rekenen”, zegt hij. “En dan heb je het over een model in twee in plaats van drie dimensies. Een echte vogelvleugel is bovendien zo complex. Je hebt te maken met de structuur van de veren. En zo’n vleugel laat ook nog een beetje lucht door. No way dat we dat allemaal op de computer kunnen gaan nabootsen.”

Lang hadden aerodynamici moeite om te begrijpen hoe een hommel in de lucht kon blijven hangen, ondanks zijn plompe lichaam en kleine, relatief traag slaande vleugels. In 1996 onthulde Charlie Ellington het mysterie achter de vliegkunst van de kolibrievlinder – een insect met lichaamsproporties die ook niet zo geschikt lijken om te vliegen. Langs de voorrand van de vleugel ontstaat een dikke luchtwervel in de vorm van een pijpenkrul. Deze leading edge vortex zorgt voor een luchtversnelling aan de bovenkant van de vleugel en daarmee een lage luchtdruk die het insect omhoog zuigt. Pijpenkrulwervels zijn intussen ook ontdekt op de vleugels van vogels en vleermuizen. Er zijn zelfs aanwijzingen dat zo’n wervel de zonnebaars helpt om met zijn borstvin te manoeuvreren.

Lentink heeft ook onderzocht of de pijpenkrulwervel ontstaat op de ‘helikopterzaadjes’ van de esdoorn. In zijn proefschrift beschrijft hij deze studie, maar omdat dit hoofdstuk nog niet is gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift, wil hij die resultaten nog even uit de krant houden. “Grote wetenschappelijke bladen als Nature en Science verbieden je om voor publicatie met de pers te praten”, zegt hij. “Ook als ze nog niet weten of ze een studie gaan publiceren.”

Die geheimzinnigheid is een vreemde kwestie, omdat Lentinks promotieonderzoek dinsdag in de vorm van een proefschrift wordt gepubliceerd. Uitgangspunt van een aantal grote wetenschapsbladen is nu juist dat je de resultaten bij hen voor het eerst publiceert. “Het gaat om een kleine oplage van 450 exemplaren”, legt Lentink uit. “En ik zorg ervoor dat de dissertatie niet beschikbaar komt via internet of de universiteitsbibliotheek, voordat het stuk wetenschappelijk is gepubliceerd.”

In elk geval laten Lentinks experimenten zien waarom zo’n pijpenkrul zo mooi blijft liggen op de flapperende vleugel van een vogel of insect. Het komt, zegt hij, doordat zo’n vleugel tijdens het flapperen roteert. Om uit te leggen wat Lentink precies bedoelt met roteren loopt hij met wijde armen door zijn werkkamer, maar het blijft lastig voor te stellen (zie kader ‘Beetje draaierig’).

SCHOUDERGEWRICHT

In de olietank op CalTech bracht Lentink stromingen rond vleugels met luchtbelletjes in beeld. De pijpenkrul ontstond wel, maar werd vrijwel meteen weggeblazen als hij de vliegenvleugels in een rechte lijn door de tank trok, zoals een vliegtuigvleugel. Diezelfde pijpenkrul bleef juist stil op de vleugel liggen als hij de vleugel liet rondzwaaien als een helikopterblad. Om te bewijzen dat de zwaaibeweging essentieel was om de wervel te stabiliseren liet Lentink vleugels vervolgens op twee manieren flapperen: roterend rond een vast punt (bij dieren de schouder) en op en neer bewegend langs een rechte lijn, wat dieren niet kunnen. Alleen in het eerste geval bleef de wervel liggen.

Lentink hoopt de pijpenkrul ook aan te tonen op de kolibrievleugel. Daartoe dient zijn nieuwste proefopstelling: een doorzichtige vierkante tent waar in het midden een soort boor in de lucht hangt waaraan de vleugels bevestigd kunnen worden. De komende maanden zullen hierin 42 vleugels van dode Colombiaanse kolibries in de rondte draaien.

Lentink is gefascineerd: “De kolibrie is qua vlieggedrag zo’n extreme vogel”, zegt hij. “Het is de grootste vogel die continu in de lucht kan blijven stilhangen. Een kraai houdt dat een paar seconden vol, een kolibrie minutenlang.”

Interessant, zegt Lentink, is dat de aerodynamica rond de kolibrievleugel veel weg heeft van een roterende helikoptervleugel, ook al wiekt hij zijn vleugel niet helemaal in het rond. De kolibrie heeft bovendien net als insecten een behoorlijk stompe vleugel. “Veel grote helikopters hebben juist heel slanke rotorbladen”, zegt Lentink. “Maar ik verwacht dat slanke vleugels niet de beste oplossing zijn voor een kleine helikopter. Dat is ook wel aannemelijk, speelgoedhelikoptertjes hebben niet voor niets bredere vleugels. Maar ik wil precies begrijpen waarom zo’n brede vleugel goed werkt. Misschien kom ik wel tot de conclusie dat je een bepaald deel van de vleugel het beste weg kunt snijden als je een efficiënte minihelikopter wilt maken. Maar in de eerste plaats wil ik die kolibrie zélf beter begrijpen.”