Monarchvlinders migreren ongeveer 4000 km van het noorden van de Verenigde Staten of Canada naar centraal Mexico om te overwinteren, een migratiepatroon dat door geen enkele andere soort in hun soort wordt geëvenaard. Zo’n lange reis lijkt in eerste instantie vreemd: vlinders zijn de enige vliegende wezens met korte, brede en grote vleugels in verhouding tot hun lichaam. Maar meer dan alleen maar hoog genoeg vliegen om gunstige windstromen op te vangen, kan aan dit succes hebben bijgedragen.
Lepidoptera, wat in het Grieks ‘geschubde vleugels’ betekent, is de wetenschappelijke classificatie die wordt gebruikt voor vlinders en motten. Vlindervleugels kunnen meer dan een miljoen microscopisch kleine schubben bevatten die beide zijden bedekken. Hoewel de vorm van de vlokken varieert, hebben ze normaal gesproken een dikte van 0,1 mm. De schubben houden de insecten niet alleen droog, maar geven ze ook hun kenmerkende kleurenpatroon dat hen helpt roofdieren te vermijden, de temperatuur onder controle te houden en paringsaantrekking aan te trekken. Bovendien kan de microgeometrie de wrijving van de huid met wel 45% verminderen.
De ontwerpen van insectenvleugels variëren enorm, en de grootte speelt een belangrijke rol bij de vluchtefficiëntie. Kleinere gevleugelde insecten zoals vliegen (200 Hz) gebruiken hogere vleugelslagfrequenties, terwijl grotere insecten zoals monarchen (10 Hz) lagere frequenties gebruiken. De meeste vlinders, inclusief monarchen, vliegen slechts een paar meter boven de grond, maar tijdens de migratie is waargenomen dat monarchen opstijgen tot hoogten van meer dan 1 km, vanwaar ze kilometers lang op de windstromen glijden. Wanneer ze dicht bij de grond vliegen en met hun vleugels klapperen, kunnen ze vliegen met een snelheid tot 5 m/s, wat ongeveer de helft is van de snelheid van 's werelds snelste man, Usain Bolt.
Als onderdeel van een project dat we in 2017 uitvoerden, onderzochten onderzoekers de vleugelslagbewegingen en trajecten van monarchvlinders, eerst met hun schubben open en daarna met hun schubben gesloten. Ten eerste weerlegde het experiment het idee dat een insect schubben nodig heeft om te kunnen vliegen. Belangrijker nog: na het voorzichtig verwijderen van de schubben die aan de vleugel waren bevestigd, vergelijkbaar met vogelveren, daalde het gewicht van een vlinder gemiddeld met slechts 9,5%.
In één onderzoek met elf exemplaren en meer dan 11 vluchten verminderde het verwijderen van schubben echter de klimefficiëntie van een monarch met gemiddeld 200%. De ringen hebben een speciaal en gunstig ontwerp dat kleine kamers creëert die de aerodynamica van de vleugel verbeteren.
Vliegaerodynamica van vlinders
De figuur toont de vier basiskrachten die op een vlinder inwerken tijdens een flapperende vlucht: lift (L), contragewicht (W), stuwkracht (T) en weerstand (D). Vleugels produceren er drie: lift, stuwkracht en weerstand. Om het insect te laten klimmen, moet zijn hef- en duwkracht groter zijn dan zijn gewicht en sleepkracht. Bovendien oefent lucht die in contact komt met de vleugels druk en schuifspanning uit op de vleugels, wat de enige manier is waarop de vleugels netto lift, stuwkracht en weerstand krijgen.
Terwijl het insect vliegt, ontstaat er een voorrand-vortex doordat de lucht over elke vleugel stroomt. Door de roterende stroming wordt in de draaikolk een lage druk gecreëerd, en het resulterende drukverschil over de vleugel produceert zowel lift als stuwkracht. Schuifspanning is de belangrijkste oorzaak van drift.
In 2020 werden verschillende vluchtpatronen van vlinders gedetecteerd door Christoffer Johansson en Per Henningsson met behulp van slow-motioncamera's en stroommetingen. Ze ontdekten dat aan het einde van de opwaartse slag, waar de flexibele vleugels in elkaar grijpen en de opgesloten lucht ertussen samenknijpen, de meeste stuwkracht wordt geproduceerd. Driedimensionale, complexe en onregelmatige luchtstromen zijn allemaal mogelijk. Tijdens zweefvluchten zijn huidwrijving of schuifspanning, veroorzaakt door stroperige lucht die over de vleugel beweegt, verantwoordelijk voor bijna de helft van de totale sleepkracht. De energie die achterblijft in zogwervelingen, ook wel geïnduceerde weerstand genoemd, is een andere belangrijke factor.
De glijverhouding van monarchen wordt conservatief geschat op 4:1. Huidwrijving tijdens een zweefvlucht kan op zijn zachtst gezegd 10% of minder lift veroorzaken. Vlinders vliegen inefficiënt vanwege hun vleugels met een lage aspectverhouding, tenminste in vergelijking met een Boeing 17, die een glijverhouding heeft van ongeveer 1:747. Als er een manier was om huidwrijving te verminderen, zouden monarchen met veel minder weerstand door de lucht kunnen manoeuvreren met hun lichtgewicht lichamen en grote vleugels.
Vlinders Wrijving met lucht
Wat huidwrijving op de vleugel van een vlinder veroorzaakt, is de ontwikkeling van een laminaire grenslaag, een gebied met een gladde stroperige stroming met een snelheidsverschil tussen de vleugel en de omringende lucht. In de vloeistofmechanica houdt de zogenaamde antislipvoorwaarde in dat de luchtsnelheid langs de vleugel moet samenvallen met het vleugeloppervlak. De aanwezigheid van op schaal gecreëerde microholtes verandert echter de manier waarop lucht interageert met het vleugeloppervlak.
In de ruimtes onder de schalen is het Reynoldsgetal (verhouding van traagheidskrachten tot stroperige krachten) minder dan 10 vanwege de kleine omvang van de schalen en de stroperige luchtstroom erboven. Vanwege het lage Reynoldsgetal is de stroom stabiel en ordelijk. Als het Reynoldsgetal toeneemt, zal de stroming onstabiel worden. Mijn groep slaagde erin deze stroom met lage Reynoldsgetallen in het laboratorium na te bootsen door de lucht te vervangen door minerale olie met een hoge viscositeit en de schalen door gefabriceerde platen die de grootte van de schalen verdrievoudigden. Met behulp van spouwmuurhoeken tussen 22° en 45° werden biologisch geïnspireerde modellen van het schaaloppervlak onderzocht.
Terwijl de vloeistof over de gaten in de vlokken stroomt, dwars op de rijen vlokken, worden kleine draaikolken opgevangen. Deze kleine luchtwielen zijn onafhankelijk van de externe stroming en gaan vrijwel samen met het vleugeloppervlak. Wanneer dit gebeurt, kan externe stroming over het oppervlak springen, waardoor de antislipvereiste gedeeltelijk wordt opgeheven. Laboratoriumresultaten hebben aangetoond dat bij de stroming met een laag Reynoldsgetal die de schubben van een vlinder tijdens de vlucht tegenkomen, er een vermindering van de huidwrijvingsweerstand is van minstens 26% en tot 45% vergeleken met een glad oppervlak.
Volgens onze laatste bevindingen verdwijnt het positieve effect wanneer het lege Reynoldsgetal significant hoger is dan 10 (80 of meer) naarmate de stroming in de kleine draaikolk verstoord raakt en samenvloeit met de externe stroming erboven. Daarom passen de kleine schubben op de vleugels van een vlinder perfect bij de typische vliegsnelheden van het insect. Als de vlokken aanzienlijk groter zouden zijn, zouden ze een groter Reynoldsgetal produceren en het stroomcontrolemechanisme verliezen dat de vluchtefficiëntie verhoogt.
Kaynak: Natuurkunde vandaag
📩 14/09/2023 10:03