Hoe gemakkelijk is vliegen?


Aërodynamica in de dierenwereld

Aërodynamica is de wetenschap die de beweging van gassen, inzonderheid lucht, bestudeert. Het is een betrekkelijk nieuwe wetenschap. Van oudsher heeft men geprobeerd te vliegen, echter eeuwenlang zonder succes. In de geschiedenis van de luchtvaart is duidelijk te zien dat de mens te rade ging bij de vogels en andere vliegende dieren. Maar ook nu, in het tijdperk van de raketten en de straaljagers, onderzoekt men nog steeds de oplossingen uit de dierenwereld.

De ontwerpen van vlieg-'gereedschap' van Leonardo Da Vinci zijn bij de meeste mensen bekend. Hij maakte tekeningen van zweef- en helikopter-achtige tuigen. Toch begint het echte vliegtijdperk bij een zekere Otto Linienthal (1848-1896). Hij was het die de bewegingen van vogelvleugels heeft ontbonden in draagkracht en stuwkracht. Hij heeft zo de aanleiding gegeven tot bruikbare testen en berekeningen, die uitmondden in het ontstaan van vliegtuigen.

Dat vliegen niet zo evident is weten we allemaal. Moest het mogelijk zijn om te kunnen vliegen op eigen kracht, dan zou de handleiding ervoor de volgende tekst kunnen bevatten:

Handleiding voor het vliegen op eigen kracht

Les 1. De benodigde kracht..

Vogels hebben sterke spieren in hun vleugels. Het gewicht ervan bedraagt tot 30 % van hun totale gewicht. Als je in de lucht hangt kan je niet zeggen: "Ik ga eens even zitten". Neen, totdat je terug op de grond bent, moet je op je vleugels (spieren) kunnen betrouwen. Ga dus maar aan het oefenen want je moet je hele gewicht kunnen dragen met je toekomstige vleugels, en dat voor een lange tijd. Terwijl je je eigen gewicht draagt, moet je dan nog met je vleugels op en neer bewegen. De frequentie (het aantal slagen per seconde) hangt af van wat je eigenlijk wil doen. Wil je zoals de kolibrie ter plaatse kunnen vliegen? Dan moet je 60 tot 90 slagen per seconde kunnen doen en zowel de opgaande als de neergaande beweging van de vleugels kunnen bekrachtigen. Wil je achteruit en zelfs ondersteboven kunnen vliegen dan zal je net als de kolibrie waarschijnlijk een versteviging in de borstkas nodig hebben. Wil je meer aan zweefvliegen doen zoals de arend of de albatros, dan moet je niet eens met je vleugels slaan. Let wel op: de albatros komt soms maar om de twee jaar op de vaste grond, hij slaapt ondertussen al drijvende op de zee.

Les 2. Zuurstofvoorziening.

Zoals bij alle atleten is de ademhaling - om een redelijk uithoudingsvermogen te krijgen - van zeer groot belang. Vogels hebben een orgaan, de luchtzak, dat hen in staat stelt om vlugger zuurstof op de juiste plaatsen te krijgen nl. de spieren. De longen zijn relatief klein. Voor de mens is dit een technische tekortkoming. Misschien kan je door speciale oefeningen je zuurstofopname opvoeren...

Les 3. Draagvermogen.

Hoe zwaarder de vogel, hoe moeizamer hij vliegt en hoe moeilijker hij aan eten geraakt. Hoe lichter hij is hoe gemakkelijker hij in de lucht blijft. Daarom is het noodzakelijk om op je gewicht te letten, een soort weight-watchers dieet is misschien noodzakelijk. In Genesis 1:29 lezen we dat God ons alle zaaddragende vruchten tot voeding geeft (fruit en noten). Na de zondeval komt daar nog 'het gewas des velds' (groenten) bij (Gen 2:18). Vogels eten geen zware feestmaaltijden of bergen snoep. Neen, ze houden het simpel en gezond. Bijv. als ze een kriekenboom gevonden hebben, eten ze daarvan tot hun buikje gevuld is. Vogels maken van hun maaltijd geen mengelmoes van lekkere dingen; dit zorgt voor een goede vertering en daardoor voor een gezond en evenwichtig lichaam.

Les 4. Geraamte aanpassing.

Dit brengt ons bij de vierde les. Het menselijk geraamte kan dan volgens de evolutionisten qua vorm op dat van de vogels lijken, toch komt er hier een serieus probleem naar boven: het geraamte van een vogel is over het algemeen lichter dan zijn pluimen! Het menselijk geraamte is geschapen om ons gewicht te dragen, om dingen te kunnen opheffen, om arbeid te verrichten. Dat van de vogels om te vliegen; het is zo goed als hol van binnen. De binnenkant van vogelbeenderen bestaat uit een soort honingraatstructuur met luchtzakjes. Hetzelfde principe wordt, waar het kan, in de vliegtuigbouw toegepast. Zelfs de snavel van een vogel is van speciaal licht materiaal gemaakt: nl. hoorn. De menselijke kaak is hiermee vergeleken zeer zwaar. Dit alles leidt tot zeer specifieke oefeningen bij je powertraining, je mag wel je spieren sterker maken maar je geraamte moet lichter worden en dat is in tegenspraak met wat we bij de mens en de zoogdieren waarnemen!
Ondanks dat veren erg licht zijn, vormen ze een verrassend groot deel van het lichaamsgewicht van de vogel. Zo blijkt een Amerikaanse zeearend met een gewicht van 4 kg. ruim een kilo aan veren te hebben, wat meer dan tweemaal het gewicht is van de beenderen. Het geraamte kan je dus letterlijk vederlicht noemen!

Les 5. Vederdos.

Niet alle vliegende dieren hebben pluimen. Denk maar aan de vleermuis. Het is ook niet de afmeting van de luchtacrobaat die de beslissende factor is bij de keuze van wel of geen pluimen. De Pterosaurus Quetzalcoatlus had een vleugelwijdte van 15,2 m; dat is zoveel als een F-15 (in 1985 het beste gevechtsvliegtuig). Ooit hebben er vederloze vliegende schepsels bestaan in alle maten en gewichten.

Toch willen we nog even de pluimen onder de loep nemen. We hebben hier onvoldoende plaats om u te helpen uw eigen pluimen te maken want dit is te ingewikkeld, maar een korte beschrijving zal u helpen om hun werking beter te verstaan. Allereerst moet een pluim licht zijn. De pen is daarom hol en haar diameter verkleind naar het einde toe. Dit is de vorm die het minste materiaal nodig heeft om de nodige stijfheid aan de pen te kunnen geven. De vorm van de baarden (haartjes) is asymmetrisch vanwege de aërodynamische eigenschappen die een pluim moet hebben; de voorzijde is steeds het kortste. Verder moet een pluim waterafstotend zijn; water zou immers voor extra gewicht kunnen zorgen. Het onderhoud van uw pluimen is ook niet te onderschatten, ze moeten steeds goed op hun plaats zitten om een minimale luchtweerstand te garanderen. Daarom zie je dikwijls vogels die hun pluimen aan het verzorgen zijn. Wat je misschien niet weet, is dat de vogels een soort olieklier hebben in de buurt van hun staart. Met hun snavel oliën zij hun veren; zo blijven zij mooi en waterafstotend. De Vlaamse gaai heeft een eigen manier van vederonderhoud: hij gebruikt mieren om alle parasieten tussen de veren uit te halen. Met hun mierenzuur reinigen de bekende werksters de Vlaamse gaai terwijl hij zich op de grond zet met zijn vleugels gespreid. Wat u ook kiest voor het materiaal van uw vleugels, onderhoudt ze perfect. Een scheur in het vleugelvlies van de vleermuis of een punkkapsel voor een gevederde vogel, maakt hen immers onbekwaam om te vliegen.
Meer info over veren vind je hier.

 

Les 6. De stroomlijn.

Veel oefeningen kan je niet doen voor je stroomlijn. Om de luchtweerstand te verminderen, kan je volgens de wetten van de fysica, beroep doen op twee factoren: Het frontale oppervlak verkleinen en/of de stromingsweerstand verkleinen. De effecten laten zich duidelijk voelen. Een fiets zoals je hieronder op de foto kan zien (= een velomobiel), zijn niet in te halen door gewone wielrenners. De technische voorsprong is te groot. Met deze fiets is mijn record op vlakke weg 58.8 km/h en kan ik zonder veel moeite een tijdlang 40 km/h aanhouden. Met mijn gewone fiets slaag ik er niet eens in om 40 km/h te halen. Het record op het circuit van Zolder voor de 100 km stond dit jaar (2007) op een gemiddelde snelheid van 50.9 km/h met een Quest! In 2010 werd een dijkrace in Nederland gewonnen met een gemiddelde van 59 km/u.

Goed, enige technische hulpmiddelen zijn misschien gerechtvaardigd. Net zoals deze velomobiel kan je met Carbon en Kevlar een lichte stroomlijn maken en daarmee je prestaties een heel stuk opdrijven.

Let wel op, deze fietsen gaan snel, maar ze vliegen niet!

Uit de bovenstaande beschrijving blijkt duidelijk dat vliegen een specialiteit is die niet zo maar vanzelf ontstaat. Vogels hebben:

  • Een aangepast licht geraamte.
  • Zeer sterke spieren.
  • Een speciaal ademhalingssysteem met groot rendement.
  • Speciaal ontworpen vleugels.
  • Speciaal ontworpen pluimen.
  • Een gestroomlijnde vorm.

Deze karakteristieken zijn van veel minder nut als ze niet allen tezamen voorkomen. Wanneer één van die karakteristieken ontbreekt, zal de vogel meestal niet kunnen vliegen. Een struisvogel bijvoorbeeld heeft geen gestroomlijnde vorm en zijn pluimen zijn niet afgestemd op vliegen, bij deze vogel dienen ze als isolatie. Een pinguïn is wel gestroomlijnd maar zijn vleugels schieten te kort.

De ontwikkelingsgeschiedenis van de vogels helpt ons ook niet veel verder. Kolibries bijvoorbeeld zijn zeer gespecialiseerde vogels. Zij kunnen vooruit, achteruit, ter plaatse en zelfs ondersteboven vliegen. In principe zou hun ontwikkeling enorm veel tijd in beslag moeten genomen hebben. Toch moeten evolutionisten toegeven dat ze niets weten van de ontwikkeling van kolibries. Ze hebben van deze vogels ook geen fossielen!1

De huisvliegtechnologie

Ooit stilgestaan bij een huisvlieg? Dat vervelende insect dat als een gek door het huis vliegt totdat je zenuwen het begeven... (alleen als jij jezelf er druk in maakt natuurlijk)

Eigenlijk vliegt de vlieg te snel; anders zou je verstomd staan van de acrobatietoeren die ze uithaalt: van hoge snelheid remt de vlieg af tot "ter plaats rust", maakt een salto, vliegt even onderste boven, maakt een rol en landt dan uiteindelijk op... het plafond!

 Wat maakt een huisvlieg tot zulk een acrobaat? De vleugels natuurlijk. De vleugels van een insect zijn - zoals alle andere 'onderdelen' van de natuur - wonderbaar! Ze zijn ontworpen met zulk een kennis van zaken, dat het geloven dat dit door evolutie tot stand zou gekomen zijn, eigenlijk even gek klinkt als beweren dat een Boeing gemonteerd kan worden door de verwoestende energie van een wervelstorm.

 

 

Wat is er zo wonderlijk aan een insectenvleugel?

1. Allereerst is er het geringe gewicht van de vleugels. Elke gewichtsbesparing levert een energiebesparing op; de vleugels moeten immers honderden malen op en neer bewogen worden.

2. Dan is er de bouw van de vleugel; die is zeer nauwkeurig uitgebalanceerd. Door de kracht die de lucht op de bewegende vleugel uitoefent, wordt deze lichtjes getorst (gedraaid om de lengte-as). Deze torsing zorgt er voor dat er een ideale luchtstroming ontstaat. Ook zorgt deze torsing voor een vermindering van de kracht die nodig is om de vleugel te bewegen en daardoor ook een lichtere constructie van de basis van de vleugel.

3. Net zoals de vleugel van een deltavlieger of zoals het zeil van een schip, staat de vleugel lichtjes bol. Maar weeral niet zomaar bol, doch juist genoeg, d.w.z. aan de uiteinden redelijk vlak, aan de zijde van de gewrichten redelijk bol.

4. De 'besturing' van de vleugels is niet minder knap. Daar er in de vleugel zelf geen spieren zitten, moet de gehele besturing gebeuren vanuit het gewricht waarmee de vleugel vastzit. Door dit gewricht kan de vleugel de gekste bewegingen aan. Dat is nodig want gewoon op en neer bewegen zou geen enkel insect de lucht in krijgen. Er moet als het ware in de lucht 'geroeid' worden.

5. Sommige insecten hebben meer dan 1 vleugel per zijde. Hierdoor zijn ze in staat het effectieve vleugeloppervlak aan te passen naar gelang de noodzaak. Ze schuiven simpelweg de vleugels meer of minder over mekaar! Dit is iets wat de vliegtuigbouwers slechts doen bij vliegtuigen die zeer uiteenlopende karakteristieken moeten hebben: die bijvoorbeeld zowel traag als heel snel kunnen vliegen. In de praktijk is dit vooral nuttig bij het landen en opstijgen, de moderene vliegtuigen (anno 2000) gebruiken deze techniek.

6. Sommige types van vleugels zijn zodanig opgebouwd dat men ze kan voorstellen door een surfzeil met 2 masten. Die 2 masten komen tezamen bij het gewricht en kunnen afzonderlijk gestuurd worden. Zo kan het insect de kromming en de oppervlakte van de vleugel besturen. Dit soort van vleugels wordt niet getorst door de in punt 2 genoemde techniek; ze zijn minder geschikt om ter plaatse te blijven hangen.

Even een woordje over "vliegtechniek" of moeten we zeggen "vleugelbesturing"

De hierboven besproken karakteristieken van de vleugels zijn volledig in regel met de huidige stand van zaken kwestie aërodynamica. Bij alle door de mens gemaakte vliegtuigen streeft men ernaar om de vorm van de vleugels en de romp zodanig te bouwen dat er zo weinig mogelijk draaikolken in de lucht ontstaan. Deze lucht-draaikolken noemt men turbulenties. Lucht turbulenties kosten veel energie en zijn moeilijk voorspelbaar. Maar wat had u gedacht? Bij het bestuderen van de vliegtechnieken van een bepaalde soort wesp kwam aan het licht dat dit insect (en waarschijnlijk vele anderen) zich helemaal niets aantrekt van turbulenties. Integendeel, de beweging van haar vleugels is zodanig dat ze, juist door die turbulenties op de juiste manier te maken, een enorme opwaartse kracht (of in vaktermen: lift) genereert!

Een ander type van ongewone aërodynamica wordt gebruikt door de sprinkhaan. Hij heeft vleugels waarvan de werking een beetje te vergelijken is met een regenscherm: tijdens de neerwaartse beweging gaat de vleugel een beetje open, tijdens de opwaartse beweging sluit hij een beetje. Dit effect is het gevolg van de bouw van de vleugels: een juiste structuur, ligging en afmeting van de nerven in de langrichting en zwakkere 'dwarsliggers' (haakse nerven) zorgen voor dit effect.

De waterjuffer blijkt in haar vleugels een soort holte (de pterostigma) te hebben die vanuit de romp gevuld en geledigd kan worden met een bepaalde vloeistof. Door dit orgaan met de juiste hoeveelheid vloeistof te vullen worden de vleugels uitgebalanceerd. Hierdoor kan het lichaam van het insect bijna trillingvrij gehouden worden. De waterjuffer is zeker geen uitzondering op dit gebied, verschillende andere insecten hebben soortgelijke organen.

Als laatste punt wil ik nog even wijzen op het tot stand komen van de vleugels. Een insectenvleugel kan niet groeien, in feite wordt hij gevormd als een soort zeil dat geplooid zit bij het insect in wording. Dit is meestal in een soort cocon. Wanneer het insect van pop naar werkelijk insect overgaat, worden de vleugels als het ware opgepompt en zijn zij ten laatste binnen een paar uur bruikbaar!

Een mensenleven is waarschijnlijk te kort om alle facetten van de insectenvleugels nauwkeurig te bestuderen. Met deze korte beschrijving hoop ik echter dat u het besef heeft gekregen dat een insectenvleugel niet zomaar een gespannen vliesje is. We weten door eigen observatie dat elk soort insect een eigen vliegstijl heeft en het ontwerp van de vleugel ligt aan de basis van die vliegstijl. Voor insecten geldt immers ook dat God ieder naar zijn aard geschapen heeft (momenteel zijn er ongeveer een miljoen soorten bekend).

Huidige stand van de techniek

Nu we een aantal eigenschappen van insecten en vogels en hun vliegkunst hebben besproken, kunnen we even een kijkje nemen in drie van de grootste luchtvaartlaboratoria van Europa: Daimler-Benz Research and technologie, Daimler-Benz Aerospace Airbus en German Aerospace research Center.3

De onderzoekers in deze labo's menen tot 30% brandstofbesparing te kunnen bekomen bij de volgende generatie van vliegtuigen. Hiervoor wil men een aantal eigenschappen van vogelvleugels gebruiken. In hun rapport staat: "Door een bladzijde uit het boek van de Natuur te nemen, besparen vliegtuigbouwers in het brandstofgebruik."

Het eerste probleem dat men wil aanpakken is de oppervlakte van de vleugels. Deze zijn berekend op de voorwaarden bij landen en opstijgen omdat deze de meest kritieke momenten zijn. Bij het cruisen, het grootste deel van de vlucht, is die oppervlakte veel te groot. Een tweede punt is het profiel van de vleugels. In de verschillende fases van de vlucht zijn verschillende profielen nodig. Momenteel werkt men met flappen, maar de luchtweerstand hiervan is te groot. Er zijn experimenten aan de gang met flexibele vleugelprofielen. Het derde punt is een volgens de lengteas variabel getorst vleugelprofiel. Dit geeft, net zoals bij insecten, aanleiding tot een kleiner moment op de vleugel. Hierdoor kan de vleugel lichter gebouwd worden. Ten vierde wil men de luchtturbulenties rond de vleugels aanpakken. Luchtturbulenties nemen immers onnodig veel energie op indien ze op de verkeerde plaats ontstaan. Om deze problemen aan te pakken gebruiken deze onderzoekers de meest moderne technologieën. Men denkt er over om de vleugels op te bouwen uit een lamellensysteem van plaatjes uit met koolstofvezels versterkte epoxy. In deze plaatjes worden speciale glasvezels verwerkt waarmee men optisch tot op 100 verschillende plaatsen de mechanische spanning kan meten. Op deze manier hoopt men de luchtdruk op de verschillende punten te kunnen meten en het vleugelprofiel via computerberekeningen aan te passen aan de eis van het moment.

De 'natuurlijke' tegenhanger van dit systeem is bij de insecten zo goed als ingebouwd: de veerkracht van de vleugels zorgt voor een aanpassing van de vorm, het over mekaar leggen van de vleugels zorgt voor een variabel vleugeloppervlak. Bij de vogels worden de vleugels gestuurd door de stand van de veren (men kan trouwens het lamellensysteem beschouwen als een zeer simpele uitgave van een vederdos..) en worden de luchtstroomcondities 'gemeten' door de zenuwen in de vleugelarm. De berekeningen gebeuren in de hersenen, waarna de aanpassingen onmiddellijk worden doorgevoerd.

Observatie leert ons dat het eigenlijk overbodig is te zeggen: de vliegtechniek van de Natuur is onovertroffen door de huidige wetenschap. 'Natuur' met een hoofdletter omdat het woord duidt op de God die alles geschapen heeft en aan wie alle eer toekomt!


1 Grimzek B.: "Grimzek's Animal Life Encyclopedia", Van Nostrand Reinhold Co. New York, 1975 p479.

2 Scientific American november 1990: The mechanical design of insect wings.

 

Verder:

Solving the mystery of insect flight

SCIENTIFIC AMERICAN June 2001

To top