Fliegen

Segelfliegende Spinnen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 11 (2022), S. 64 – 65

Einige Spinnenarten segeln mit ihren Fäden durch die Luft. Dafür nutzen sie nicht nur Wind und Thermik. Darüber hinaus verschafft ihnen das elektrostatische Feld der Erde selbst bei Flaute den nötigen Antrieb.

Ja wäre nur ein Zaubermantel mein,
und trüg er mich in fremde Länder
Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832)

Spinnen haben keine Flügel, und deswegen sollten sie eigentlich nicht fliegen können. Manchmal sieht man sie allerdings an langen Seidenfäden durch die Luft schweben und wird dadurch auf anschauliche Weise eines Besseren belehrt. Diese Technik des Segelflugs ist bei vielen Spinnenarten seit langem bekannt. Schon Darwin hatte auf seinem Forschungsschiff »Beagle« achtbeinigen Besuch erhalten. Er beschrieb, wie eine an Bord gelandete Spinne wieder Abschied nahm, indem sie »vier oder fünf Fäden hervorstieß. Sie waren mehr als einen Meter lang und strebten von den Drüsenöffnungen ausgehend nach oben voneinander weg. Plötzlich löste die Spinne ihren Griff vom Pfosten und wurde schnell außer Sichtweite getragen«.

Laut Darwin war es an jenem Tag heiß und windstill. Er machte winzige thermische Konvektionsbewegungen dafür verantwortlich, dass die Spinne trotz Flaute abheben konnte. Die These vermag durchaus einige wesentliche Aspekte des Phänomens zu erklären. Außerdem vermutete Darwin bereits, obendrein könnten elektrostatische Kräfte im Spiel sein. Dafür sprach die fächerartige Ausbreitung der herausschießenden Fäden – als würden sie sich gegenseitig abstoßen. Allerdings herrschte trotz solcher Hinweise auf mögliche Ladungseffekte bis in unsere Tage die Überzeugung vor, hinter dem Spinnenflug stünden ausschließlich aerodynamische Effekte. Das war wissenschaftlich durchaus gut begründbar. In den letzten Jahren wurden jedoch Untersuchungsergebnisse publiziert, die den elektrostatischen Vorgängen eine zusätzliche tragende Rolle zusprechen.

Zu den jüngsten Entwicklungen dürften Schwierigkeiten beigetragen haben, die bei genauerer Betrachtung auftreten, wenn man den aerodynamischen Auftrieb allein verantwortlich machen will. So ist unklar, wie sich die bis zu 100 Milligramm schweren Spinnen mit ihrem Faden auffällig schnell in die Höhe katapultieren, während kaum ein Lüftchen weht. Hinzu kommt das schon von Darwin notierte Aufspreizen der bündelweise ausgestoßenen Fäden. Außerdem fand man einige fliegende Spinnenarten in vier Kilometer Höhe vor – strömungsdynamisch eine ziemliche Herausforderung.

Solche Probleme lassen sich beseitigen, wenn man die Wirkungen des so genannten atmosphärischen Potenzialgradienten mit einbezieht. Hierbei geht um Ladungsdifferenzen zwischen Atmosphäre und Erdboden: Die in mehr als etwa 70 Kilometer Höhe gelegene Ionosphäre ist überwiegend positiv geladen, die Erdoberfläche hingegen negativ. Der Unterschied wirkt sich auf den gesamten dazwischen gelegenen Bereich aus. So ist die ungestörte Atmosphäre oberhalb der Erdoberfläche positiv geladen, sodass zwischen einem Punkt auf der Erdoberfläche und einem Punkt in der darüber befindlichen Luft eine elektrische Spannung herrscht (siehe: „Spektrum der Wissenschaft“ Mai 2017, S. 64). und Volt pro Meter betragen. Die Stärke des Effekts schwankt allerdings und hängt sehr stark von den Wetterbedingungen ab.

Bereits die gegenseitige Abstoßung der von der Spinne abgegebenen Fäden zeigt: Auch die Seidenfasern tragen elektrische Ladungen. Es kommt daher zwangsläufig zu einer Wechselwirkung zwischen ihnen und dem Feld der Luft. Doch wie kann die Spinne – bevor sie den Versuch wagt – erkennen, ob die Kräfte stark genug sind, um sie mitsamt ihrem Faden zu tragen? Dazu muss sie elektrische Felder wahrnehmen und nach ihrer Stärke beurteilen. Dass zumindest einige Insekten dazu in der Lage sind, ist seit einigen Jahren bekannt (siehe »Spektrum« April 2020, S. 60).

2018 haben Erica Morley und Daniel Robert von der University of Bristol untersucht, wie Spinnen auf Felder reagieren. Sie setzten in Laborversuchen Baldachinspinnen (Linyphiidae) elektrischen Feldern aus, die in ihrer Stärke denen in der Atmosphäre bei verschiedenen Wetterbedingungen entsprachen. Tatsächlich reagierten die Spinnen darauf mit eindeutigen Flugvorbereitungen. Die segelnden Tiere gewannen oder verloren beim Ein- und Ausschalten der Felder an Höhe. Somit kann für den Aufstieg nicht nur der aerodynamische Auftrieb verantwortlich sein, sondern ebenso muss die elektrische Wechselwirkung zwischen den Tieren und den äußeren Feldern eine Rolle spielen. Spezifische Bewegungen bestimmter Sinneshaare auf der Körperoberfläche der Tiere in Reaktion auf elektrische Felder legen die Vermutung nahe, dass diese so genannten Trichobothrien den Spinnen die Wahrnehmung der Felder ermöglichen.

Die fliegenden Spinnen sind zwar weitgehend dem atmosphärischen Potenzialgradienten und den aerodynamischen Gegebenheiten ausgeliefert. Trotzdem können sie wohl noch ein wenig Einfluss nehmen. In einer Veröffentlichung von 2022 haben Charbel Habchi von der libanesischen Notre-Dame-Universität-Louaize und Mosbeh ‪M. Khalid Jawed von der University of California in Los Angeles die Ergebnisse von Computersimulationen präsentiert. Aus diesen folgerten die beiden Ingenieurwissenschaftler, dass die Spinnen sowohl die strömungsphysikalischen als auch die elektrostatischen Verhältnisse steuern können, indem sie die Anzahl der Fäden und deren Länge verändern. Damit verfügten die Tierchen in der Luft immerhin über gewisse Steuerungsmöglichkeiten.

Bisher ist ungeklärt, auf welche Weise die Spinnfäden aufgeladen werden. So werden sich dieser faszinierenden natürlichen Umsetzung eines elektrischen Antriebs vermutlich noch über Jahre hinaus weitere Geheimnisse entlocken lassen.

Quellen

Darwin, C. R.: Journal of researches into the natural history and geology of the countries visited during the voyage of H.M.S. Beagle round the world, under the Command of Capt. Fitz Roy, R.N. John Murray. London, 1845

Morley, E. L., Robert, D.: Electric fields elicit ballooning in spiders. Current Biology 28, 2018

Habchi, C.; Jawed, M. K.: Ballooning in spiders using multiple silk threads. Physical Review E 105, 2022

Der Traum vom Fliegen

Der Schneider von Ulm

„Bischof, ich kann fliegen“,
Sagte der Schneider zum Bischof.
„Pass auf, wie ich’s mach‘!“
Und er stieg mit so ’nen Dingen,
Die aussahn wie Schwingen
Auf das große, große Kirchendach.
Der Bischof ging weiter.
„Das sind so lauter Lügen,
Der Mensch ist kein Vogel,
Es wird nie ein Mensch fliegen“,
Sagte der Bischof vom Schneider.

„Der Schneider ist verschieden“,
Sagten die Leute dem Bischof.
„Es war eine Hatz.
Seine Flügel sind zerspellet
Und er lag zerschellet
Auf dem harten, harten Kirchenplatz.“
„Die Glocken sollen läuten,
Es waren nichts als Lügen,
Der Mensch ist kein Vogel,
Es wird nie ein mensch fliegen“,
Sagte der Bischof den Leuten.*

* Bertolt Brecht. Der Schneider von Ulm. In: Gedichte in einem Band. Suhrkamp, Frankfurt am Main 2007,  S. 645.

Blick auf das Packeis

Auf dem Flug nach Fairbanks (Alaska) geben die Wolken teilweise den Blick auf das Packeis des Nordpolarmeeres frei. Das schräg einfallende Sonnenlicht wird vom Wasser zwischen den Eisschollen reflektiert – ein äußerst erhabener Anblick! Um den schönen Anblick zu genießen, muss man die Probleme einen Moment vergessen…

Die fliegende Bank

Die Idee, ein Fluggerät zu entwickeln, das komplett aus Textilien besteht, ist noch nicht so alt. In der Patentschrift vom  NASA–Ingenieur Francis Rogallo aus dem Jahre 1948 ist bereits das Prinzip beschrieben, wie der Auftrieb des Geräts erzeugt werden soll. Demnach sind „nach vorne offene Stoffröhren parallel nebeneinander angeordnet“, die „durch den Fahrtwind aufgeblasen eine Tragfläche“ bilden. Diese geniale Idee ist in den nächsten Jahrzehnten praktisch umgesetzt worden und hat schließlich vor allem dank immer stabilerer Kunstfasermaterialien zu immer leichteren Realisierungen des Gleitschirms geführt bis hin zu den Formen wie wir sie in den letzten Jahrzehnten vor allem an beliebten Stränden kennengelernt haben.
Dabei beeindruckt mich vor allem, wie schnell der zunächst als anspruchsvolles Sportgerät zum Fliegen benutzte Schirm schließlich zur gemütlichen „Bank“ wurde, in der Oma und Opa nebeneinander sitzend, von einem Boot gezogen über der Meeresbucht schweben, so als wäre es des Selbstverständlichste der Welt (siehe Foto).

Leise segelt das Löwenzahnlicht…

Löwenzahn

Fliegen im Juni auf weißer Bahn
flimmernde Monde vom Löwenzahn,
liegst du versunken im Wiesenschaum,
löschend der Monde flockenden Flaum.

Wenn du sie hauchend im Winde drehst,
Kugel auf Kugel sich weiß zerbläst,
Lampen, die stäubend im Sommer stehn,
wo die Dochte noch wolliger wehn.

Leise segelt das Löwenzahnlicht
über dein weißes Wiesengesicht,
segelt wie eine Wimper blaß
in das zottig wogende Gras.

Monde um Monde wehten ins Jahr,
wehten wie Schnee auf Wange und Haar.
Zeitlose Stunde, die mich verließ,
da sich der Löwenzahn weiß zerblies. *

* Peter Huchel (1903 – 1981)

Die Lichtmetaphorik von Blumen und Blüten ist in der Literatur, insbesondere der Lyrik oft zu finden. Einige frühere Beiträge tragen dem Rechnung, z.B. hier und hier und hier und hier.

Eine schöne Interpretation dieses Gedichts findet man hier.

Nun schweben sie wieder…

Die Löwenzahnwiese blieb die ganze Blühsaison über unberührt und durfte in Ehren fast einheitlich ergrauen. Das Gelb der Jugend wich dem weisen Weiß des Alters. Die zu „Haaren“ umgebildeten Kelchblätter von Korbblütlern (Asteraceae) heißen Pappus im in Anlehnung an das griechische Wort für Großvater „pappos“ (πάππος). Da sage noch einer die Wissenschaftler hätten keinen Sinn für anschauliche Begriffe.
Nach den trockenen Tagen verlieren die Großvaterköpfe ihre Haarpracht und die Haare schweben als kleine Minifallschirme durch den Wind entfacht vor meinem Fenster dahin. Die erste Assoziation: es schneit. Nein, es sind die Papusse, die von einer Zufallskette gelenkt zu einer möglichen neuen Heimat reisen. Zurück bleiben zahlreich kleine Glatzköpfe.
Der Zufall wird auch darüber entscheiden, wo sie schließlich landen und ob sie eine Chance haben, zu einer neuen Pflanze heranzuwachsen. Die Natur bedient sich eines einfachen Prinzips: Keine komplizierten Weginformationen, sondern ohne Rücksicht auf Verluste flächendeckende Ausbreitung. Dabei wird durch eine raffinierte Leichtbauweise und weitere physikalische Tricks erreicht, dass die Sinkgeschwindigkeiten minimal und damit Flugzeiten maximal werden, um auch bei ganz leichten Luftbewegungen voranzukommen.
Der physikalisch optimierte Bau der Gleitflieger geht mit einer eindrucksvollen Ästhetik einher. Ich empfehle Jedem bevor sie oder er mit einem leichten Blasen in die weiße Haarpracht die Gleitschirme auf Reisen schickt, die noch unversehrten Köpfchen gegen das Licht zu halten und den durchschimmernden Innenbau in Augenschein zu nehmen.

Schwimmen in der Luft

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 4 (2019) S. 48 – 49

Eine Welt in einem Sandkorn zu sehn
und einen Himmel in einer wilden Blume

William Blake (1757-1827)

Die Samen des Löwenzahns hängen nicht an flächigen Flügeln, sondern bloß an einem filigranen Faserskelett. Doch gerade das lässt sie langsam und stabil durch die Luft gleiten.

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Vogel mit Düsenantrieb

Große Vögel haben es schwer zu fliegen. Das hängt mit der Flächen-Volumenrelation zusammen. Während die Masse des Vogels wie das Volumen mit der Größe hoch drei zunimmt, wächst die Fläche, also auch die Fläche der Flügel nur mit der Größe hoch zwei. Weil aber die Gewichtskraft mit der Masse und die Auftriebskraft mit der Fläche der Flügel zunehmen, fällt es größeren Vögeln schwer, ihre eigene Masse in die Höhe zu bringen. Deswegen gibt es auch keine Vögel, die so groß sind wie Menschen und keine Menschen, die aus eigener Kraft fliegen könnten.

Vor diesem Hintergrund erscheint es merkwürdig, dass gerade große Vögel, wie etwa ein Bussard, so elegant durch die Lüfte gleiten, dass von größerer Anstrengung, die seiner Größe angemessen wäre, nichts zu spüren ist. Wir haben im nebenstehenden Schnappschuss das Geheimnis lüften können: der Vogel hat sich ein von den Menschen für seine künstlichen Flieger erfundenes Antriebsprinzip abgeguckt.

Der Flug des geflügelten Samens

Schlichting, H. Joachim; Ucke, Christian. In: Physik in unserer Zeit 25/2, 79 (1994).

Zahlreiche Pflanzensamen sind mit besonderen Einrichtungen zum passiven Fliegen ausgestattet, um eine möglichst großräumige Ausbreitung der Arten zu gewährleisten. Unter den verschiedenen Flugeinrichtungen fallen vor allem der Ahornsamen und ähnlich konstruierte Schraubenflieger durch ihren ästhetisch ansprechenden Sinkflug auf.

PDF: Der Flug des geflügelten Samens

Der Bumerang – ein Spielzeug mit verblüffenden Flugeigenschaften

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 35/5, 18 (1986).

Seit der zurückkehrende Bumerang in Europa bekannt ist, hat er die Menschen immer wieder fasziniert und zu zahlreichen Beschreibungen und Erklärungen seines erstaunlichen Flugverhaltens geführt (vgl. das Literaturverzeichnis in [1]). Ein Physiklehrer, der diese Faszination im Unterricht nutzen möchte, sucht dennoch häufig vergeblich nach unterrichtsnahen physikalischen Beschreibungen…Im folgenden soll versucht werden, unter weitgehendem Verzicht auf quantitative Einzelheiten die physikalischen Prinzipien des Bumerangs so weit zu vereinfachen, daß dieser auch im Unterricht der Sekundarstufe [behandelt werden kann. Unsere Darstellung ist jedoch so angelegt, daß darauf eine
quantitative Beschreibung aufbauen kann.

PDF: Bumerang

Ikarus‘ Traum und die aerodynamische Wirklichkeit

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 35/5, 7 (1986).

,,Der Mensch ist kein Vogel / es wird nie ein Mensch fliegen“ läßt Brecht (1967) den Bischof in seinem Gedicht ,,Der Schneider von Ulm“ sagen. Diese Aussage ist auch heute noch richtig – jedenfalls, wenn man den Flug aus eigenem Antrieb meint. Wir wollen im folgenden die physikalischen Gründe hierfür erörtern und dabei ein einfaches Modell für den Vogelflug diskutieren. Insbesondere soll untersucht werden, wie es den Fliegern gelingt, die jede Bewegung hemmende Luft sozusagen zur Voraussetzung des Fliegens zu machen. Dabei geht es insbesondere um die Frage, warum dieses kleinen Tieren leichter gelingt als großen und welche physikalischen Prinzipien dafür  verantwortlich sind, daß ab einer bestimmten Größe Fliegen aus eigenem Antrieb nicht mehr möglich ist. Mit der Absicht einer möglichst einfachen Darstellung werden wir von den Details der Vo rtrieberzeugung durch Flügelschlag absehen, die für den Vogelflug zwar wichtig, für ein prinzipielles Verständnis des Fliegens aber entbehrlich sind. Damit können wir den Auftriebsmechanismus getrennt vom Vortriebsmechanismus behandeln und
von ähnlichen einfachen Verhältnissen wie beim Flugzeug ausgehen, welches gleichsam als Modell für ein fliegendes Tier angesehen werden kann.

PDF: Ikarus Traum und die aerodynamische Wirklichkeit