Zo’n tien jaar geleden werd ontdekt dat de vleugels van insecten wervelingen produceren die voor een grote lift (stijgkracht) zorgen. Het was een enorme doorbraak in de kennis over het vliegen van insecten. De wervels ontstaan doordat de scherpe randen van de vleugels luchtstromingen scheiden, waarbij de stroming aan de bovenzijde van de vleugel een vortex wordt.
Het ligt niet zo voor de hand dat de vleugels van vogels op dezelfde wijze werken. De rand van het armgedeelte (zie afbeelding) van een vogelvleugel heeft namelijk een afgeronde vorm, die bij uitstek geschikt is voor de “normale” manier van vliegen. Daarbij ontstaat geen werveling. Het handgedeelte van de vleugel heeft echter wel een scherpe rand, bijvoorbeeld bij de gierzwaluw (zie afbeelding). Genoeg reden om de zwaluwvlucht eens nader te bestuderen, vonden de biomechanici Videler, Stamhuis en Povel.
Een volwassen gierzwaluw ( Apus apus) in glijvlucht. Bij de rechtervleugel is een dwarsdoorsnede gemaakt van het handgedeelte (1) en van het armgedeelte (2). Bij de linkervleugel staat een uitvergroting waar de scherpe voorrand van de buitenste slagpen op te zien is. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.Copyright Science
Nooit eerder deed iemand onderzoek aan de vorming van wervelingen door de vleugels van vogels. Het is namelijk lastig om metingen te verrichten aan de luchtstromingen rond de vleugels van een vliegende vogel. Er zijn recentelijk proeven gedaan in een windtunnel maar die leverden geen nauwkeurig plaatje op van de luchtstroming rond de vleugels. De Groningse onderzoekers omzeilden de problemen met het meten aan luchtstroming door proeven te doen in een watertunnel. De stromingspatronen in water zijn goed te vergelijken met die in de lucht na correctie voor de viscositeit (stroperigheid) van de vloeistof.
Links. Visualisering van de stroming rond een model van een zwaluwvleugel in een watertunnel. Je kijkt vanaf achter tegen de vleugel aan. De stroomrichting en stroomsterkte van het water staat weergegeven met vectoren (de pijltjes). De zwarte punt geeft het centrum van een wervelstroom aan. Rechts. De stroming is gemeten in de buurt van de vleugeltip.Copyright Science
Videler’s team gebruikte uiteraard geen levende vogels. Ze werkten met een model van een gierzwaluwvleugel. Het model had een V-vorm, de vleugelstand die je ziet bij gierzwaluwen die met hoge snelheid door de lucht scheren. De waterstroom werd zichtbaar gemaakt door hele kleine bolletjes aan het water toe te voegen. Die bolletjes werden belicht met een laserstraal. De onderzoekers filmden vervolgens de beweging van de bolletjes en analyseerden de filmbeelden op de computer. Uit de analyse bleek dat er langs het handgedeelte van de vleugel een wervelstroom ontstond (zie afbeelding). De wervel was bij de vleugeltip veel groter dan dichter naar het lichaam toe. Hij heeft dus een kegelvorm (zie tweede afbeelding hieronder).
Een artist’s impression van de kegelvormige wervelstroming aan de bovenzijde van de vleugel van een gierzwaluw.Klik op de afbeelding voor een grotere versie.Copyright Science
De ontdekking van de wervelingen is een compleet nieuw inzicht in de werking van de vogelvlucht. Het onderzoek biedt een verklaring voor het grote verschil in de anatomie van het armgedeelte en van het handgedeelte van de vleugel. De wetenschappers denken trouwens dat zwaluwen de wervels niet alleen gebruiken tijdens glijvluchten. Ook bij het maken van spectaculaire capriolen tijdens de jacht op insecten is veel lift nodig.
Filmpje van wervelwind-simulatie in water
In het filmpje is een V-vormig model van een gierzwaluwvleugel gestopt in een watertunnel. De wervels worden zichtbaar doordat laserlicht schijnt op witte drijvende bolletjes.
Wervelwind-simulatie (6,35mb)
Meer weten? Het boek Avian flight door Prof. dr J. Videler komt over enkele maanden op de markt (Oxford University Press)