Wie kann ein Turmfalke im Wind schweben?

Turmfalken sind Raubvögel, die häufig in Europa, Asien, Afrika und Nordamerika vorkommen. Sie gehören zur Familie der Falken, haben aber die einzigartige Fähigkeit, in der Luft zu schweben. Sie können eine ganze Reihe von Videos (siehe zum Beispiel 1 , 2 , 3 , 4 ) über diese faszinierenden Kreaturen finden, wenn Sie nach „Kestrel-Jagd“ suchen.

(Sie können auf die Bilder unten klicken, um die Videos zu sehen)

Rückansicht

Rückansicht: Video von wildaboutimages ( Link hier )

kestrel_hover

Video von viralhog ( Link hier )

kestrel_slomo

Seitenansicht in Zeitlupe: Video von wildaboutimages ( Link hier )

Während ich bewundere, wie sie ihren Kopf stabilisieren, bin ich fasziniert von ihrer Fähigkeit, in der Luft ruhig zu bleiben . Beachten Sie, dass der Vogel während dieses Vorgangs keine externe Unterstützung hat und nicht mit den Flügeln schlägt. Es gibt keine horizontale Verschiebung, obwohl es eine ziemlich starke Windströmung gibt (ausreichend, um sein Gewicht zu tragen).

Warum wird der Vogel nicht nach hinten geschleudert wie beispielsweise ein Papierflieger im Wind?

Während es möglich sein könnte, dass die Bewegung für uns so klein ist, dass wir sie sehen können, lässt mich das Ansehen und erneute Ansehen des Videos anders denken. Haben die Vögel es endlich geschafft, den Luftwiderstand loszuwerden, oder ist das ein sehr heikles Kräftegleichgewicht?

Es sollte auch beachtet werden, dass dieses Verhalten nicht auf Turmfalken oder sogar Vögel beschränkt ist. Sehen Sie sich zum Beispiel dieses Video einer Schleiereulenjagd an (nicht so beeindruckend, aber erwähnenswert.) oder dieses Video , in dem ein Hängegleiter anmutig im Wind schwebt.

Hängegleiter

es ist tatsächlich möglich, rückwärts zu fliegen, wenn der Wind richtig ist…
Eine nicht offensichtliche, aber wichtige Tatsache ist, dass der Boden beim Fliegen keine Rolle spielt. Was zählt, ist Ihre Beziehung zu der Luft, die sich um Sie herum bewegt, und es ist die Beziehung zwischen dem Turmfalken und der Luft, die sich um ihn herum bewegt, die ihn stationär lässt. der Boden.
Turmfalken sind nicht in erster Linie amerikanische Vögel. Es gibt eine amerikanische Art, andere Arten kommen in Europa, Asien, Australien und Afrika vor. Sie verbreiteten sich wahrscheinlich vor etwa 5mya von Afrika aus. In der Tat denken einige, dass der amerikanische Turmfalke eigentlich ein Hobby oder ein anderer Falke ist und überhaupt kein "echter" Turmfalke.
Beachten Sie, dass die Vögel ständig ihre Flügel und ihren Schwanz anpassen, um ihre Gleitgeschwindigkeit perfekt an den Wind anzupassen.
Dies können nicht nur viele andere Vögel – insbesondere Möwen, sondern auch viele andere –, Drachenflieger können dies auch. Sie brauchen nur eine aufsteigende Luftströmung, wie wenn der Wind auf einen steilen Hang trifft. Anstatt an einer Stelle zu schweben, sehen Sie im Allgemeinen Vögel, die den Hang entlang ziehen, ohne ihre Flügel zu bewegen. Die aufsteigende Luft ermöglicht es ihnen, mit minimalem Aufwand ein großes Gebiet nach Nahrung zu durchsuchen.
@JamesK Zur Kenntnis genommen, danke.
@jamesqf Danke, das ist sehr interessant.
Turmfalken schlagen mit den Flügeln, um zu schweben, wenn sie es brauchen. Sie können an bewölkten Tagen ohne Thermik in nahezu stiller Luft schweben. Sie brauchen keinen aufsteigenden Luftstrom. Natürlich jagen sie lieber unter Bedingungen, bei denen sie nicht mit den Flügeln schlagen müssen, um Energie zu sparen.
@alephzero Ja, das ist mir auch aufgefallen. Aber ich habe ausdrücklich nach dem Schweben ohne Flügelschlag gefragt, weil: 1) es nicht intuitiv ist, 2) es unglaublich aussieht.
@Lefty und rob Danke, jetzt habe ich es verstanden.
Wie @alephzero sagt, sind Turmfalken dafür bekannt, dass sie einen beweglichen Flügel schweben lassen. Viele große Raubvögel steigen bei Thermik und anderen Aufwinden auf. Aber einige der beeindruckendsten Gleitfahrten gegen den Wind sind um Meeresklippen herum zu sehen - Möwenarten (insbesondere Dreizehenmöwen) und Rabenvögel (Dohlen) usw. hängen einfach am Wind, indem sie ihr Auftriebs-/Widerstandsverhältnis anpassen
Bemerkenswerterweise sind Kolibris die Vogelmeister des angetriebenen Schwebens – ich glaube, sie sind die einzigen, die in der Lage sind, direkt in jede Richtung zu fliegen, einschließlich rückwärts. Wie dies erreicht wird, ist jedoch offensichtlicher – sie sind sehr viel nicht still, während sie es tun.
Stellen Sie sich vor, es gibt ein Förderband in einem Winkel. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen auf einem Fahrrad und fahren das Förderband hinunter. Stellen Sie sich vor, das Förderband rollt nach oben (ein darauf platzierter statischer Gegenstand wird nach oben getragen). Stellen Sie sich nun vor, die Bremsen am Fahrrad gerade so weit zu betätigen, dass Sie sich weder dem Boden nähern noch weiter vom Boden entfernen. Sie können den ganzen Tag so bleiben (bis Sie die Bremsen abnutzen :D ), immer "bergab" rollen.. Das ist nur das Gleiche wie das, was der Vogel tut; alle Kräfte ausgleichen
Können Sie klären, ob es sich dabei speziell um Turmfalken oder Vögel im Allgemeinen handelt?

Antworten (6)

Ein Freikörperdiagramm für ein Tragflügelprofil berücksichtigt vier Wechselwirkungen: Gewicht, Schub, Auftrieb und Luftwiderstand. Bei einem nicht angetriebenen Flügel ist der Schub null.

Segelflugzeug-Freikörperdiagramm[ Quelle ]

Diese stehen ungefähr senkrecht aufeinander, aber nicht ganz:

  • Die Gewichtskraft zeigt immer nach unten.
  • „Widerstand“ ist der Teil der aerodynamischen Wechselwirkung, der der Bewegung durch die Luft antiparallel ist.
  • „Auftrieb“ ist die aerodynamische Interaktion, die senkrecht zur Bewegung durch die Luft ist.
  • Die Schubrichtung (im Motorflug) hängt von der Ausrichtung Ihres Triebwerks ab.

Wenn die Bewegung des Flügels durch die Luft vollkommen eben ist, dann sind die Auftriebs- und Widerstandskräfte vertikal und horizontal, und eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit (einschließlich einer Bewegung mit Nullgeschwindigkeit, wie Schweben) ist unmöglich: Der horizontalen Widerstandskraft steht nichts entgegen , also beschleunigt der Flügel in Richtung des Luftwiderstands. Wenn die Bewegung des Flügels durch die Luft eine Aufwärtskomponente hat, zeigen die horizontalen Teile des Luftwiderstands und des Auftriebs in die gleiche Richtung. Aber in der Abbildung hat die Bewegung durch die Luft eine leichte Neigung nach unten, was bedeutet, dass der Auftriebsvektor eine nach vorne gerichtete horizontale Komponente hat, die im Prinzip den horizontalen Teil des Luftwiderstands aufheben kann.

Der Turmfalke „schwebt“, indem er auf einem sehr leichten Aufwind gleitet, so dass seine Fluggeschwindigkeit die Windgeschwindigkeit genau aufhebt.

Auch Möwen schweben , und zwar in Scharen . Wenn Sie einen Schwarm Möwen schweben sehen, schauen sie alle in die gleiche Richtung und neigen dazu, relativ nahe beieinander zu schweben. Dort ist der Aufwind am stärksten.

Nur um zu verdeutlichen, was meiner Meinung nach der wichtigste Faktor in Ihrer Antwort ist - sagen Sie, dass diese Schwebebewegung unmöglich ist , wenn der Windvektor vollständig horizontal (oder tatsächlich nach unten) ist - und dass der Vogel daher den richtigen Windvektor suchen muss bevor es versuchen kann zu jagen?
Können Sie erklären , warum die Auftriebskraft so nach vorne geneigt ist? Ich finde das nicht banal.
@AlphaLife-Auftrieb wird senkrecht zum Luftstrom erzeugt, da beim Fallen von Segelflugzeugen der Luftstrom eine Aufwärtskomponente hat, was zu einer Vorwärtskomponente zum Auftrieb führt
@AlphaLife ist einfach so definiert. Die aerodynamische Nettokraft auf den Flyer wirkt in eine "willkürliche" Richtung, die auf nichts Bestimmtes ausgerichtet ist, aber in senkrechte Komponenten zerlegt werden kann, die nützlich sind, um unabhängig voneinander betrachtet zu werden. Für eine Vogelhaltestation bei stetigem Wind könnte es wohl sinnvoller sein, sie in horizontale und vertikale Komponenten zu zerlegen, aber diese summieren sich zu derselben Kraft.
@Lefty das ist richtig. Vögel suchen definitiv nach günstigen Windverhältnissen und insbesondere nach Aufwind, um ihre Anstrengung zu schonen. Der Windvektor muss nicht "richtig" sein, sondern nur eine vertikale Komponente in die richtige Richtung haben, da der Vogel in der Lage sein wird, seine Position in einer Vielzahl von Aufwindintensitäten zu halten, indem er seine Trimmung anpasst. Sie können sich aber auch einfach mit einem langsam sinkenden/driftenden Schwebeflug zufrieden geben, wenn die idealen Bedingungen nicht ausreichend vorhanden sind.
@AlphaLife Die „gesamte aerodynamische Kraft“ muss vertikal sein, um das vertikale Gewicht auszugleichen. Die Zerlegung in Heben und Ziehen ist eine Konvention, und die Konvention ist die Verwendung eines rechtwinkligen Koordinatensystems. Eine Quelle .
@ Will Danke für die Erklärung. Wie das OP hatte ich immer angenommen, dass Vögel in der Lage sind, aus einem sich horizontal bewegenden Wind Auftrieb zu erzeugen , ähnlich wie ein Drachen, aber ich habe nie wirklich verstanden, wie sie dies ohne eine Leine tun könnten, um die resultierende horizontale Komponente aufzuheben. Es wird viel einfacher, sich das vorzustellen, wenn man weiß, dass der Wind selbst eine Aufwärtskomponente haben muss.
@Lefty Die Drachenschnur bedeutet, dass auch der Boden beteiligt ist. Ein System, das sowohl mit der Luft als auch mit dem Boden interagieren kann, kann auf überraschende Weise Energie gewinnen .
@Lefty, der Vogel muss wahrscheinlich nicht den perfekten Aufwind finden. Es muss wahrscheinlich nur einen ausreichenden Aufwind finden . Der Vogel kann wahrscheinlich die Effizienz seines Gleitens in ähnlicher Weise anpassen, wie der Pilot eines schweren Flugzeugs die Effizienz des Gleitens durch das Einsetzen von Spoilern anpassen kann .
@rob Ausgezeichnetes Video - danke!
@SolomonSlow Ja, ich wollte nie andeuten, dass der Aufwind eine bestimmte Größenordnung haben muss, nur größer als Null. Dann betreten wir das Reich dessen, was die Evolution leisten kann!

Die drei Hauptkräfte, die auf den Turmfalken wirken, sind durch die Pfeile unten (links) dargestellt.

Es gibt das vertikale Gewicht, den Auftrieb der über die Flügel strömenden Luft und die Widerstandskraft des Windes (der blaue Pfeil geht leicht nach oben, wie in Robs Antwort beschrieben).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Diese drei Kräfte müssen eine Resultierende von Null haben, sie bilden ein 'Kräftedreieck', rechtes Diagramm.

(Möwen tun es auch)

Ich habe nicht das Gefühl, dass dies die Frage vollständig beantwortet. Der Vogel hat keine Kontrolle über die Kraft des "vertikalen Gewichts", also müsste er sowohl die "Widerstandskraft" als auch die "Auftriebskraft" unabhängig steuern, um eine Nettokraft von 0 zu verursachen. Wie ist dies nur durch Kippen der Flügel möglich?
Der Vogel kann auch die richtigen Bedingungen wählen, dh einen Ort, an dem genügend Aufwind vorhanden ist, siehe die Diskussion unter den anderen Antworten
Ohne dass das Bit zum Aufwind erforderlich ist, beantwortet dies die Frage nicht.
@BlueRaja-DannyPflughoeft So können Sie es in einem Segelflugzeug machen, das in einem Aufwind schwebt, indem Sie die Tatsache nutzen, dass sich ein stabiles Flugzeug automatisch auf eine Fluglage einstellt, in der diese Kräfte im Gleichgewicht sind: 1) Verwenden Sie den Steuerknüppel, um die Nase nach oben einzustellen / Senken Sie die Neigung, bis Sie mit einer Geschwindigkeit fliegen, die Ihre Vorwärtsbewegung stoppt (Nase nach unten -> schneller fliegen) und verwenden Sie die Bremsklappen, um Ihren Auftrieb anzupassen, bis Sie vertikal stehen. Vögel nehmen diese beiden Anpassungen hauptsächlich vor, indem sie die Geometrie ihrer Flügel ändern (Vorwärts-/Rückwärtsbewegungen wirken sich auf die Neigung aus, und das Spreizen/Falten beeinflusst den Gesamtauftrieb.)

Nur wenn ein Aufwind vorhanden ist

Ja, da haben Sie vollkommen recht – wenn der Wind nur horizontal über den Boden geweht hätte – wäre das Schweben unmöglich gewesen (ohne dass der Vogel selbst aktiv Schub hinzufügt).

In all diesen Fällen verwendet der Vogel also einen sehr leichten Aufwind , um diesen bewegungslosen Zustand zu finden.

Dasselbe gilt für diesen Gleiter. Beachten Sie, dass sie am Rand eines beginnenden Gefälles beginnen. Dies bedeutet, dass – da sie Gegenwind haben – der Wind den Hang hinaufrauscht und daher eine erhebliche vertikale Komponente hat.

Daher gleiten der Vogel und das Segelflugzeug in Bezug auf die sich bewegende Luftmasse nach unten , aber aufgrund der Aufwärtsbewegung der Luft – in Bezug auf den Boden – kann sie die Abwärtsbewegung aufheben oder – im Fall des Segelflugzeugs – überwinden Bewegung des Flyers.

Danach geht es nur noch darum, den horizontalen Widerstand so anzupassen, dass sich auch die horizontale Geschwindigkeitskomponente aufhebt und manche Vögel scheinbar bewegungslos schweben können.

Durch sehr genaue direkte Variation von Auftrieb und Widerstand seiner Flügel.

Wie die Nasa und die anderen Antworten hervorheben, wirken drei Hauptkräfte auf den Vogel ein. Heben, ziehen und sein Körpergewicht. Kräfte auf einem SegelflugzeugDas (Steuerungs-)Problem für den Vogel besteht nun darin, diese drei Kräfte auszugleichen, was noch komplizierter wird, da er auch seine Rotationsposition beibehalten muss, während der Wind schnell Stärke und Richtung ändert.

Der Vogel kann dies nur erreichen, indem er die Auftriebs- und Widerstandskräfte, die er mit seinem Flügel erzeugt, direkt modifiziert . Sie können tatsächlich sehen, dass der Vogel auf dem Video seinen Flügel dreht (um mehr Auftrieb zu erzeugen) oder seine Flügel leicht faltet und entfaltet, um seine Flügelspannweite zu variieren (um Auftrieb und Luftwiderstand zusammen zu verringern). Der Schlüssel ist, dass es direkt beeinflussen kann, wie viel Auftrieb und Widerstand erzeugt werden. Wenn dies nicht möglich wäre, würde der Vogel entweder auf- oder absteigen oder horizontal in beide Richtungen davongetragen werden. Genau diesen Effekt sehen Sie in Ihrer zweiten Bearbeitung, in der Sie auf einen Drachenflieger verweisen, der wegsteigt.

Als Randbemerkung: Er muss auch seine Rotation beibehalten, was er mit seinen Leitwerksfedern und differenziellen Auftriebskomponenten seines Flügels sowie differenziellem Luftwiderstand seiner Flügel erreicht. Dies zeigt, dass es eine unglaubliche Leistung des Vogels ist, seine Auftriebs- und Widerstandskräfte sowie seine Rotation so zu kontrollieren, dass sein Kopf in der Lage ist, die verbleibende Bewegung auszugleichen. Das ist einfach unglaublich.

PS vielleicht würde diese Frage besser zu Aviation.StackExchange passen ...

Ich denke, der Grund dafür liegt in der Physik, dass es ein Verstoß gegen die Energieerhaltung wäre, wenn ein Segelflugzeug die Höhe ohne Aufwind beibehalten würde, und das OP hatte Aufwinde nicht als Voraussetzung dafür angesehen, dass dies funktioniert.

Grundsätzlich ist die Auftriebskraft, die durch die um ihre Flügel strömende Luft erzeugt wird, nicht perfekt senkrecht zum Boden nach oben gerichtet; Stattdessen ist es etwas nach vorne geneigt. Die Vorwärtskomponente dieser Kraft ist zufällig genau die gleiche wie die Rückwärtskomponente des Windes, während die Aufwärtskomponente des Auftriebs zufällig die gleiche ist wie die Schwerkraft. Alle Kräfte heben sich auf und der Vogel schwebt bewegungslos.

Der Vogel verwendet einen relativ einfachen Regelkreis, um seine Position zu halten. Wie die Diagramme der auf Tragflächen/Flugzeuge wirkenden Kräfte zeigen, wirken Kräfte in alle Richtungen, deren konkreter Wert von der Geometrie der Tragfläche(n) abhängt. Das Tier wiederum hat Techniken, sich mit relativ kleinen Bewegungen in alle Richtungen zu bewegen, und hebt die Windbewegung "nur" auf.

Wenn Sie sich Ihre Videos ansehen, sehen Sie, dass die Vögel, obwohl sie nicht ganz flattern, tatsächlich ihre Flügel und ihren Schwanz erheblich bewegen. Dies aktualisiert ständig ihre Position und Geschwindigkeit relativ zu dem Ziel, das sie treffen möchten, da sich die "Mikrogeschwindigkeiten" des Windes um die Vögel herum ändern.

Sie sehen etwas Ähnliches beispielsweise bei Wildwasserkajaks, die in stehenden Wellen surfen . Sie stehen mit sehr wenig Anstrengung auf absolut wildem Wasser still (alles Paddeln, das Sie dort sehen, dient dazu, ihre Tricks vorzuführen). Mit ein wenig Übung können Sie in einer Welle (wenn es weniger turbulent ist als in diesem Beispiel und Sie nicht so hyperaktiv sind wie diese Personen) mit nur minimaler Gewichtsverlagerung und einem sehr gelegentlichen kleinen Kontakt mit dem Paddel sehr ruhig stehen die Wasseroberfläche zum Bremsen. In diesem Fall kommt die Vorwärtskraft, die die Wasserbewegung aufhebt, durch den Winkel des Bootes und die Schwerkraft.

Dasselbe gilt für den Vogel und ist in den Videos gut sichtbar. Wenn sich der Vogel relativ zum Wind vorwärts bewegen muss (aber nicht zum Boden), tut er einfach das, was ein Vogel tut, um vorwärts zu fliegen (dh seine Flügel ein wenig "nach unten" zu neigen).

Die wirkliche Magie besteht für mich darin, wie dieses kleine daumengroße Gehirn (wenn es überhaupt so groß ist) all diese Verarbeitung in Echtzeit verwaltet. Natur in Flammen!

Da gibt es tatsächlich eine Menge Sensorinformationen ... Visuelle Fixierung auf dem Boden als Positionsreferenz, Beschleunigungsmesser in ihren Ohren, viele Vögel haben zumindest ein bisschen einen magnetischen Kompass in ihrem Gehirn, und all diese Federn sind an Nerven befestigt, die es können spüre die Luftbewegung um sie herum. Wenn überhaupt, würde jemand, der versucht, dieses kleine Gehirn zu duplizieren, wahrscheinlich von zu vielen Sensorinformationen überwältigt werden.
@Perkins: Wenn dich Vogelgehirne in Erstaunen versetzen, dann hast du z. B. nie wirklich an Libellen gedacht :-)
Die neurale Dichte der Vogelkleie ist höher als bei Säugetieren.
Wenn Sie sich mit Fruchtfliegen anstelle von Libellen zufrieden geben, gibt es ziemlich vollständige Gehirnkarten. ZB bit.ly/2GKmDF2 von ai.googleblog.com/2019/08/an-interactive-automated-3d.html . Wenn wir nur das Neuron finden könnten, das es zum Schweben bringt!
Wie kann ein Turmfalke im Wind schweben?
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