Vogelvlucht lijkt nergens op


Het luchtruim is al miljoenen jaren het domein van vogels, maar nog steeds begrijpt niemand precies hoe ze dat klaarspelen. Nieuwe meettechniek en militaire interesse in vliegende dieren zorgen nu eindelijk voor een doorbraak.

Een vogel die sneller wil vliegen klapt niet sneller met zijn vleugels, en toch voert hij zijn snelheid op. Een zwaluw kan binnen een seconde remmen van 60 kilometer per uur naar 0 zonder hoogte te verliezen en een valk kan G-krachten verdragen die een F16 piloot wit doen wegtrekken in zijn schietstoel. Het is maar een greep uit de raadsels die na een eeuw onderzoek aan vogelvlucht onopgelost blijven. 

Biologen hebben een goed excuus voor dit kennisgat, want een vliegende vogel laat zich gewoon slecht temmen tot proefkonijn. Wie wil begrijpen hoe vogels luchtacrobatiek bedrijven moet dus nogal wat kunstgrepen toepassen. Met oog voor dierwelzijn, want wetenschappers die een vogel op de pijnbank leggen om hem zijn geheimen te ontfutselen, komen op de zwarte lijst bij wetenschapsbladen Nature en Science.

Zo meten biologen ondermeer via de hoeveelheid vogelpoep het energieverbruik van een vogel die van A naar B vliegt. Maar ook dan blijkt hoe wispelturig de vliegende natuur is. Intelligente vogels als kraaien kunnen bijvoorbeeld experimenten in de war gooien.

 Het overkwam biologen eind vorige eeuw in de speciaal voor vogelonderzoek gebouwde windtunnel in het Zweedse Lund. De Zweedse kraai moest in de windtunnel zijn ding doen, namelijk vliegen tegen de wind in en poepen op de tunnelbodem. Onverwacht bleek de vogel zelfs bij hoge windsnelheid nauwelijks energie te verbruiken, hij poepte te weinig.

De Zweden krabden zich achter de oren tot een camera in de tunnel het antwoord onthulde. De kraai hield de biologen voor de gek. Iedere keer dat zij het lab verlieten voor pauze, ging de vogel op de bodem van de tunnel uitrusten, de tegenwind nam hij voor lief. Kwamen de onderzoekers terug dan deed de kraai weer net alsof hij met het experiment bezig was.

Ook als de proeven wel volgens het boekje gaan blijkt vogelvlucht veel meer geheimen te kennen dan verwacht. Een ontdekking in 2003 zette het internationale vogelonderzoek bijvoorbeeld op zijn kop, door gebruik van een nieuwe meetmethode, DPIV. De Zweden in Lund lieten een klapwiekende nachtegaal wervels maken in waterdampwolken die werden bestraald door een laserbundel. Met een hogesnelheidscamera was ultranauwkeurig het vliegvermogen af te lezen uit de wervelringen achter de vleugels die door klapwieken ontstaan.

Na maanden training raakte de vogel gewend aan de laser. De nachtegaal, genaamd Blue moest in de tunnel in Lund tegen steeds hardere tegenwind opboksen. Tot verbazing van de biologen flapte Blue bij een drie keer hogere vliegsnelheid net zo hard met de vleugels als wanneer hij langzaam vloog, veertien keer per seconde. De vogel sloeg niet dieper of harder met zijn vleugels, en de acceleratie bleek niet af te leiden uit de gebruikelijke meting aan de wervelringen achter de vogel.

Hoe de uit volksverhalen beroemde zangvogel zijn snelheid opvoert, kortom hoe een vogel echt vliegt was een raadsel. Blijkbaar deed de nachtegaal nog iets anders met zijn vleugels dat niemand in de afgelopen eeuw was opgevallen. Een van de onderzoekers, de in biologie geschoolde piloot Geoff Spedding, gaf de biologenwereld een handzaam advies in het als revolutionair bekendstaande artikel in het Journal of Experimental Biology: ‘We moeten misschien meer kijken naar hoe de vogel zijn vleugels beweegt’.

Meer kijken naar vogelvleugels lijkt vanzelfsprekend bij onderzoek aan vliegende vogels. Toch was dit een openbaring voor een vakgebied binnen de biologie, dat traditioneel wordt gedomineerd door luchtvaartingenieurs. Deze probeerden juist de biologische werkelijkheid te versimpelen tot een model omdat live-experimenten zoveel kunstgrepen vragen.

In de dertig jaar voor Blue zette de in biologie geschoolde piloot Colin Pennycuick de toon.

Deze godfather van het vogelvluchtonderzoek bouwde de windtunnel voor vogels in Lund en schreef in de jaren tachtig een computerprogramma, gebaseerd op vliegtuigkennis. Met een druk op de knop kon dit programma bijna alles van vogels voorspellen, als je de naam van de vogel maar opgaf. Het programma ging ervan uit dat alle vogels ongeveer hetzelfde vliegen en dat zou veel experimenten kunnen besparen.

Een vogel die zweeft, was op te vatten als een vliegtuig met veren en flapvlucht is in een formule te vangen. Instructies waren overzichtelijk. Stop gewicht, energieverbruik, vliegsnelheid en grootte van de vogel in de PC. Na het drukken op enter berekende de computer het vliegvermogen en de optimale vliegsnelheid. Biologen konden zo berekenen of een strandloper met bekend vlieggewicht vanaf de Waddenzee wel Siberië zou halen..

Een zwevende albatros lijkt zich inderdaad redelijk te houden aan de regels van de luchtvaart. Maar zoals de fladderende nachtegaal liet zien valt niet alles binnen de biologie over één kam te scheren. Juist de complexiteit van vogelanatomie en beweging kan soms een cruciale rol spelen. De Zweed Anders Hedenström, die samen met Spedding de baanbrekende nachtegaalpaper publiceerde wil daarom meer naar de invloed van veren kijken.

“Veel van de oude theorie werkt prima, maar juist achter de gaten daarin zit meer dan we dachten”, zegt hij. “In veerstructuur zit misschien een antwoord. Bij elke vleugelslag veranderen veren van vorm en positie en waarschijnlijk komt daar een veel grotere kracht voor voortstuwing vanaf dan we rekening mee hielden.”

Gebroeders Wright

De Groningse biologen Eize Stamhuis en John Videler gaan nog een stap verder dan Hedenstrom. Volgens hen hebben luchtvaartingenieurs lang genoeg de toon gezet binnen de vogelwereld. In Videler’s deze maand verschenen provocerende boek over vogelvlucht, ‘Avian flight’, stelt de voormalig marine-officier dat kennis over vogelvlucht daardoor nog in de kinderschoenen staat.

Stamhuis wil daarom met behoud van de huidige kennis terug naar waar de vroegere luchtvaartpioniers als de gebroeders Wright en Lilienthal waren gebleven.

 “Zij keken nog zorgvuldig naar vogels voor ze een vliegtuig bouwden”, zegt hij. “Nu lijkt de wereld wel omgedraaid omdat mensen dankzij de technische vooruitgang bij vliegtuigen vogels uit het oog verloren.”

 “Iedereen ging tot nu toe bijvoorbeeld voorbij aan het feit dat een vogelvleugel uit twee gedeeltes bestaat, een arm en een handvleugel”, vult Videler hem aan. “Vooral die handvleugel kan misschien volgens volkomen andere principes werken. In tegenstelling tot bij vliegtuigen is de voorrand van bijna alle handvleugels bijvoorbeeld scherp in plaats van rond.”

Toch gebruikt ook Videler geen levende gierzwaluwen, maar modellen van perspex om zijn gelijk te bewijzen. Echte zwaluwen schieten te snel in de stress en voor wendbaarheidstests is een windtunnel niet geschikt. Videler moet het met glazen vleugels in een watertunnel stellen. Maar volgens hem is dit voorlopig ruim voldoende om een aantal vragen over wervels op te lossen.

Science had hier afgelopen winter ook geen bezwaren tegen. Daardoor kon het duo in december in dit Amerikaanse wetenschapsblad publiceren over wervels, LEV’s in jargon, op de bovenkant van de scherpe handvleugels van glazen gierzwaluwen. Wervels geven de extreem wendbare dieren bij lage snelheid extra lift (opwaartse kracht) doordat ze onderdruk veroorzaken aan de bovenkant van de vleugel. De vleugel wordt zo opgetild.

Zelfs bij glijvlucht blijkt dus al meer te gebeuren dan klassiek onderzoek had aangetoond. Vogelonderzoekers hadden dit fenomeen gek genoeg nog nooit beschreven, al gebruikten vliegtuigen met deltavleugels als de Concorde dit zelfde principe om in de lucht te blijven. Met onderzoek aan een flappende glazen gierzwaluw in een watertunnel wil Videler nu ontdekken welk voordeel wervels bij flapvlucht de vogel geven.

Niet glas maar veren maken de vogel. David Lentink van de Wageningse biomechanica-groep, doet daarom proeven met echte geprepareerde gierzwaluwvleugels in een Delftse windtunnel. De tot de biologie bekeerde Delftse luchtvaartingenieur Lentink wil met de proeven een verklaring geven voor de lage luchtweerstand bij ultralage snelheid, een verschijnsel dat klassieke aërodynamica niet verklaart.

De scherpe voorrand van de zwaluwvleugel zou de zelfde werking kunnen hebben als ribbels op een schaatspak. Deze geven een lagere luchtweerstand doordat ze de luchtstroom vlak tegen de schaatser houden. Zonder ribbels laat de stroom los en ontstaan luchtbellen die weerstand geven. Lentink publiceert binnenkort over de vleugels in een van de bekendere journals.

Wielrenners

Tussenoplossingen zoals van Lentink en Videler kunnen veel antwoorden geven. Maar niets haalt het natuurlijk bij de levende werkelijkheid.  Dankzij de voortschrijdende techniek valt steeds meer aan echte vogels te meten zonder ze te hoeven slopen, zoals in de 19de eeuw gebeurde. Iedere naturalist, zoals Wallace en Darwin was toen tegelijk fervent vogeljager.

Met röntgencamera’s kunnen evolutiebiologen als Kenneth Dial in het Flight Laboratory in Montana het bewegende skelet van een vliegende spreeuw filmen. Dankzij DPIV hoeven biologen vogels niet meer door tabaksrook of een zaagselbak te laten vliegen om wervels zichtbaar te maken.

Een evolutiebioloog die veel met levende vogels en DPIV werkt is de Amerikaan Bret Tobalske. Hij publiceerde afgelopen juli in Nature over helikopterende kolibri’s die hij met suikerwater voor laserlicht en hogesnelheidscamera’s lokte. De in het wereldje wereldberoemde Amerikaan vergeleek het vlieggedrag van kolibri’s met grote motvlinders die in gedrag en bouw naar elkaar toe zijn geëvolueerd.

Zowel kolibri als vlinder leven van bloemennectar die ze hangend voor de bloem wegzuigen. De verwachting was dat dieren van hetzelfde formaat ongeveer het zelfde vliegen, en op het oog lijkt dit ook zo. Met DPIV kon hij achterhalen dat de motvlinder volledig anders helikoptert dan de vogel. De kolibri is minder buigzaam, beweegt nog als een echte vogel en moet driekwart van zijn lift uit de neerslag halen. Een kwart meer dan de vlinder die evenveel lift uit opslag en neerslag haalt.

Naast DPIV levert de verdergaande miniaturisering van meetapparatuur nieuwe manieren om toch met vliegende vogels te experimenteren. Biologen kunnen daardoor makkelijker meetapparatuur aan dieren koppelen, zoals Henry Weimerskirch in 2001 in Nature deed met pelikanen. Hij trainde in Senegal een groep pelikanen om in formatie te vliegen achter een boot en een modelvliegtuig. Formatievliegen levert tot 12 procent energiewinst op, zo wist hij via hartslagmeters met zenders op de pelikanen aan te tonen.

De vogels houden elkaar niet uit de wind zoals een peloton wielrenners doet. Wervels rond de vleugeltip van de ene vogel, geven de vleugel van de buurpelikaan een duw omhoog, die zo dus meer kan zweven. Een V-formatie vormt als het ware dus één grote vogel.

Formatievliegen, bij ons het bekendst bij ganzen kan een van de verklaringen geven waarom een kanoetstrandloper, met zijn onsje gewicht in één etappe 5000 kilometer kan vliegen richting Noordpool. Met de bestaande modellen, gebaseerd op vliegtuigkennis bleven de vogels ergens half boven Scandinavië steken. Het vermoeden bestaat ook dat de dieren handig gebruik maken van weersveranderingen maar het definitieve antwoord is nog niet bekend.

Kolibots

Vogels mogen dan geen simpele automaten zijn, het wil niet zeggen dat iedere gelijkenis met vliegtuigen de plank mis slaat. Ook de geneugten van het formatievliegen waren al sinds 1920 bekend bij Duitse luchtvaartingenieurs. In de Tweede Wereldoorlog vlogen bommenwerpers dan ook vlak naast elkaar in eskaders om energie te besparen.

Onder sommige omstandigheden kun je een vliegende vogel dus best versimpelen. Tobalske bijvoorbeeld, kan zijn kolibri’s wel voor bijna honderd procent in de bestaande formules vangen, zolang ze niet al te gekke dingen doen.

 De evolutiebioloog wil daarom nu een stap verder zetten. De vliegbewegingen van de vogeltjes zijn misschien machinaal na te maken, als verder onderzoek de vliegeigenschappen van de kolibri onthult. Dit zou kolibri’s in de toekomst inzetbaar maken als kolibots voor spionagetoepassingen.

“Bij Caltech in Californië maakt Michael Dickinson bijvoorbeeld spybots van fruitvliegen met hulp van Artificial Intelligence”, zegt Tobalske. “Dat kun je misschien ook met vogels doen. Defensie is namelijk steeds meer geïnteresseerd in de aërodynamica bij lage snelheden zoals van vogels. Dieren vliegen veel efficiënter dan menselijke fabricaten en ze willen graag een robot met een bewegingsapparaat dat die efficiëntie benadert.”

Maar ook zonder militair geld zal de kennis over vogelvlucht de komende tien jaar dramatisch toenemen, en Tobalske hoeft daarbij niet terug naar de natuur. “De bestaande modellen zijn inderdaad te simpel”, zegt hij. “Maar juist hun eenvoud maakt ze wereldwijd bruikbaar voor duizenden biologen. Ik verwacht daarom meer doorbraken dankzij nieuwe meettechniek als DPIV. Het vogelonderzoek is daarmee letterlijk een nieuwe eeuw ingetild.”

 

Avian Flight’ van John Videler verschijnt deze maand (oktober) bij Oxford Universitiy Press ISBN; 0198566034