Insektenflug : Konstruktionsmorphologie, Biomechanik, Flugverhalten (2003. XIII, 482 S. m. 267 Abb. 24 cm)

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  • 商品コード 9783540000471

Full Description


In dem Forschungsgebiet "Insektenflug" treffen Fragestellungen der Biologie und der Stroemungsmechanik vielseitig zusammen. Der Bogen reicht von der Konstruktionsmorphologie uber die Flugbiophysik bis zur Energetik und zum Flugverhalten. Der Autor ist einer der international angesehensten Grundlagenforscher in diesem Forschungsgebiet. Das Buch stellt nicht nur einen Bericht uber die vielseitigen Forschungsansatze von ihm und seiner Arbeitsgruppe dar; es bringt auch die allgemeinen Grundlagen und fuhrt mit einer Fulle von Beispielen an die Grenzen des derzeitigen Kenntnisstandes.

Contents

1 Zu diesem Buch.- 1.1 Das "Ratsel des Insektenflugs".- 1.2 Arbeitsbericht und allgemeine Aussage.- 1.3 Pfade durch den Urwald der Fragestellungen: Wie sich unsere Forschungsansatze entwickelt haben.- 1.3.1 Die Schlusselarbeit.- 1.3.2 Beginn.- 1.3.3 Bearbeitung des Fachgebiets in Munchen.- 1.3.4 Aufspaltung des Forschungsgebiets in Saarbrucken.- 1.3.5 Flugentomologische Freilandarbeit.- 1.3.6 Technische Biologie und Bionik.- 1.3.7 Querbeziehungen der Arbeitsrichtungen.- 1.3.8 Danksagungen.- Literatur.- 2 Historisches.- 2.1 Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts.- 2.2 Zweite Halfte 19. Jahrhundert bis zum 1. Weltkrieg.- 2.2.1 J. Kunckel d' Herculais.- 2.2.2 J.E. Marey.- 2.2.3 R. v Lendenfeld und W. Ritter.- 2.3 Zeit zwischen den Weltkriegen und Nachkriegszeit.- 2.3.1 R.E. Snodgrass, E.G. Boettiger, E. Furshpan.- 2.3.2 F. Mihalyi, A. Magnan.- 2.3.3 F.S.J. Hollick, R. Faust.- 2.3.4 Eigene Ansatze.- Literatur.- 3 Konstruktionsmorphologie.- 3.1 Thoraxmotor und Flugelantrieb.- 3.1.1 Klassische Darstellungen.- 3.1.2 Primare Segmentierung.- 3.1.3 Thorax.- 3.1.4 Flugel: Prinzipbau.- 3.1.5 Flugelankopplung.- 3.1.6 Ungeflugeltes und geflugeltes Segment.- 3.2 Prinzipbau des Flugelgelenks.- 3.2.1 Gelenksklerite und Tergalhebel.- 3.2.2 Pleuraler Flugelgelenkkopf und Skleritenbewegung.- 3.3 Fallstudien zur Kette Muskelmotor ? Flugelgelenk ? Flugelschlag.- 3.3.1 Fallstudie: Funktionsmorphologie des Flugelgelenks von Calliphora (Wisser 1984).- 3.3.1.1 Form und Lage der drei Pteralia (Sklerite) und des hinteren Gelenkfortsatzes.- 3.3.1.2 Bau des pleuralen Flugelgelenks und seine dorsale Anbindung.- 3.3.2 Fallstudie: Funktionelle Anatomie der Flugmuskulatur von Calliphora (Wisser 1984).- 3.3.2.1 Indirekte Flugmuskeln.- 3.3.2.2 Verspannmuskeln.- 3.3.2.3 Direkte Flug-bzw. Steuermuskeln.- 3.3.3 Fallstudie: Gelenkmechanisches und muskelmotorisches Zusammenspiel beim Flugelschlag von Calliphora (Wisser 1984).- 3.3.3.1 Der Flugelabschlag.- 3.3.3.2 Der Flugelaufschlag.- 3.3.3.3 Einstellung der Schlagamplitude.- 3.3.3.4 Horizontale Vor- und Ruckwartsbewegung des Flugels.- 3.3.3.5 Einstellung der mittleren Flugelschlagbahn.- 3.3.3.6 Einstellung des geometrischen Anstellwinkels.- 3.3.3.7 Steuerung der drei Schaltgange der "Gangschaltung".- 3.3.3.8 Bewegungsanalyse der Thoraxspalten.- 3.3.4 Fallstudie: Funktionsanalyse und Modellierung des Flugelantriebs bei Apis (Nachtigall, Wisser, Eisinger 1998).- 3.3.4.1 Abschlag.- 3.3.4.2 Aufschlag.- 3.3.4.3 Ein Prinzipmodell.- 3.3.4.4 Ein Flugelgelenk-Funktionsmodell.- 3.4 Flugel - multifaktorielle mechanische Systeme.- 3.4.1 Morphologische Vielfalt und Kraftetypen.- 3.4.2 Mechanische Parameter und Problemkreise.- 3.4.3 Anlage und Entfaltung.- 3.4.4 Leichtigkeit und Massenverteilung.- 3.4.5 Festigkeit und Abbiegbarkeit.- 3.4.6 Aussteifung und Faltbarkeit.- 3.4.7 Fallstudie: Mechanische Eigentumlichkeiten der Flugelkutikula bei Aeshna (Kreuz 2001).- Literatur.- 4 Flugelbewegung.- 4.1 Muskeln und Flugelantrieb.- 4.1.1 Synchrone und asynchrone Flugmuskeln.- 4.1.2 Muskelfeinbau.- 4.1.3 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion.- 4.1.4 Elementare Kraftentwicklung und Verkurzung.- 4.1.5 Steuerung der Kontraktionsstarke uber die Aktionspotentialfrequenz.- 4.1.6 Besonderheiten von Insekten-Flugmuskeln.- 4.2 Flugelkinematik.- 4.2.1 Fallstudie: Flugelbewegung von Phormia (Nachtigall 1966).- 4.2.1.1 Flugelbewegung uber eine Schlagperiode.- 4.2.1.2 Geometrische Grobabstraktion eines Flugels.- 4.2.1.3 Projektionen der Flugelbahn.- 4.2.1.4 Bahn im tier- und raumfesten System.- 4.2.1.5 Schlag- und Drehschwingung.- 4.2.2 Fallstudie: Flugelbahn-Projektion bei Drosophila (Zanker 1987).- 4.2.3 Fallstudie: Redundanzfreie Beschreibung der Flugelkinematik uber Euler-Winkel bei Locusta (Zarnack 1972).- Literatur.- 5 Luftkrafterzeugung.- 5.1 Aerodynamik: Grundlagen und Kenngroessen.- 5.1.1 Die Reynoldszahl Re; Re-bedingte Effekte und ihre kennzeichnenden Groessen.- 5.1.2 Stationare Luftkraftkomponenten; ihre Beiwerte und Darstellung.- 5.1.3 Instationare Effekte; kinematische Voraussetzungen und aerodynamische Besonderheiten.- 5.1.4 Wirbel und Impulstransport.- 5.1.4.1 Grundlegendes.- 5.1.4.2 Einfache Ringwirbel.- 5.1.4.3 Zur Wirbelstruktur und "vorticity".- 5.2 Stationare Luftkrafte und ihre Effekte.- 5.2.1 Stationare Luftkrafte an Rumpfen fliegender Insekten.- 5.2.1.1 Der Widerstandsbeiwert cw und seine Randbedingungen.- 5.2.1.2 cw-Werte bei kleinen Reynoldszahlen und die Problematik einer "stroemungsschnittigen" Profilierung.- 5.2.1.3 Weitere Moeglichkeiten der cw-Reduktion von Insektenrumpfen.- 5.2.1.4 Funktionsmorphologische Flugeleigentumlichkeiten von stroemungsmechanischer Bedeutung.- 5.2.2 Stationare Luftkrafte an Flugeln und Flugelpolaren.- 5.2.3 Flugelanstroemung.- 5.2.4 Reduktion des Energieverlusts.- 5.2.5 Stationare Luftkraftkomponenten.- 5.3 Instationare Luftkrafte und ihre Effekte.- 5.3.1 Stationare versus instationare Effekte: Die kennzeichnende Groesse "Reduzierte Frequenz".- 5.3.2 Fallstudie:"Clap and fling" und Vorderkantenwirbel bei Encarsia und bei Manduca (Weis-Fogh 1973; Ellington et al. 1996).- 5.3.3 Fallstudie: Messungen am Flugelmodell von Drosophila (Dickinson, Lehmann, Sane 1999).- 5.3.4 Bionik:"Entomopteren".- 5.3.5 Effekte von Flugelverformungen.- 5.3.5.1 Ursachen fur Verformungen.- 5.3.5.2 Flugelwoelbung.- 5.3.5.3 Schwingungen des Flugels "in sich".- 5.3.5.4 Flugelprofilierung.- 5.3.5.5 Flugelabbiegungen durch Luftkrafte im normalen Flugbereich.- 5.3.5.6 Flugelabbiegungen durch exzessive Luftkrafte und durch Anstossen.- 5.3.5.7 Selbsteinstellung von resilinhaltigen Insektenflugeln im Vergleich mit den Handschwingen von Voegeln.- 5.4 Wirbel, Wirbelstrassen und zugeordnete Reaktionskrafte.- 5.4.1 Ein Gedankenversuch: Nur Vortriebsentstehung.- 5.4.2 Weiterfuhrung des Gedankenversuchs: Vortriebsentstehung und periodische Schwingungen.- 5.4.3 Gebundene Wirbel; Zirkulation.- 5.4.4 Freie Wirbel; Ringwirbel.- 5.4.5 Weiterfuhrung des Gedankenversuchs: Zirkulation, Ringwirbel und verknickt-leiterartige Wirbelstrasse.- 5.4.5.1 Einzelphasen einer vollstandigen Schlagperiode.- 5.4.5.2 Resultate und Diskussion.- 5.4.6 Drei Sichtweisen zur Schubentstehung.- 5.4.7 Wirbelringbildung durch Schlagflugel.- 5.4.8 Modifikationen der Wirbelstrasse fur zusatzliche Hubentstehung.- 5.4.8.1 Registrierungen im Rauchkanal.- 5.4.8.2 Denkmoeglichkeit fur zusatzliche Hubentstehung.- 5.4.8.3 Vorstellungen zur Wirbelstrasse hinter einer horizontal-geradlinig fliegenden Schmeissfliege.- 5.5 Wirbelfelder und UEbergang vom Schwirrflug zum Streckenflug.- 5.5.1 Zum Wirbelfeld unter einem schwirrfliegenden Insekt.- 5.5.2 UEbergang vom Schwirrflug zum Streckenflug.- 5.5.3 Zum Wirbelfeld hinter einem horizontal fliegenden Insekt.- 5.5.4 Fallstudie: Wirbel und Entstehung einer Wirbelstrasse hinter dem Flugelpaar von Thymelicus (Brodsky, Ivanov 1984).- Literatur.- 6 Spezielle Flugformen.- 6.1 Steigflug.- 6.2 Schwirrflug.- 6.2.1 "Syrphiden"- und "Calliphoriden"-Schwirrflug.- 6.2.2 Flugelbewegungen beim Schwirrflug.- 6.2.3 Flugtoene beim Schwirren und Sitzen.- 6.2.4 Flugelschwingungen und -verformungen "in sich".- 6.2.5 Jetstrom unter einer Syrphiden.- 6.3 Schnellflug.- 6.3.1 Fortschrittsgrad und schnellstmoeglicher Flug.- 6.3.2 Propeller und Fortschrittsgrad.- 6.3.3 Schlagflugel und Fortschrittsgrad.- 6.4 Fallstudie: Schiebeflug bei Calliphora (Nachtigall 1979).- 6.5 Einige flugmechanische Aspekte bei unterschiedlichen Insektenordnungen.- 6.5.1 Fallstudie: Libellen (Wakeling, Ellington 1997).- 6.5.2 Fallstudie: Kafer (Schneider 1975).- 6.5.3 Wanzen.- 6.5.4 Thripse.- 6.6 Facheln und Sterzeln.- 6.6.1 Klassische Registrierungen.- 6.6.2 Fallstudie: Facheln der Honigbiene (Junge 2002).- 6.6.2.1 Fachelverhalten im naturlichen Umfeld.- 6.6.2.2 Geschwindigkeitsverteilung im "Propellerstrom" und Rechnungen nach der Propellertheorie.- 6.6.2.3 Flugelbewegung.- 6.6.2.4 Kinematische Basisdaten.- 6.6.2.5 Vorgehensweise fur messungs- und rechnungsbasierte Vergleiche.- 6.6.2.6 Stationare Flugelpolaren.- 6.6.2.7 Zur Bestimmung der Schubkraft und ihres Beiwerts.- 6.6.2.8 Vergleich gemessener Hub- und Schubkomponenten zum Koerpergewicht.- 6.6.2.9 Vergleich gemessener Hub- und Schubkomponenten mit quasistationar berechneten.- 6.6.2.10 Zylinderprojektion sukzessiver Flugelstellungen und Abwicklung.- 6.6.2.11 Instationare Berechnung von Geschwindigkeitsfeld und Wirbelformierung bei sukzessiven Flugelschlagstellungen.- 6.6.2.12 Vergleich der Groessen quasistationarer und instationarer Schubbeiwerte uber eine Flugelschlagperiode.- 6.6.2.13 Bionische Aspekte.- Literatur.- 7 Flugsteuerung.- 7.1 Fur ein Fluginsekt grundlegende geometrische und stationar-aerodynamische Kenngroessen.- 7.2 Steuerung durch Ruder, Klappen und Schwerpunktsverlagerungen.- 7.3 Fallstudie: Steuerung durch kompensatorische Schlagbahnverstellungen bei Drosophila (Zanker 1987).- 7.3.1 Kompensation von Translationseffekten.- 7.3.2 Kompensation von Rotationseffekten.- 7.3.3 Lagestabilisierung und Steuerung im Raum.- 7.4 Steuerung durch phasische Flugelverstellungen.- 7.5 Fallstudie: Steuerung durch Flugelprofil-Veranderungen bei Locusta (Pfau 1977).- 7.6 Steuerung uber Frequenzanderungen der Aktionspotentiale in den Flugmuskeln.- 7.7 Fallstudie: Steuerung uber Phasenverschiebung der Aktionspotentiale in den Flugmuskeln von Locusta (Moehl, Zarnack 1977).- 7.8 Steuerungsaspekte beim Kurvenflug.- 7.9 Zusammenstossen und Ausweichen.- Literatur.- 8 Energetik und Groessenbeziehungen.- 8.1 Betriebsstoffe, Energiedichte.- 8.2 Temperatur, Thermoregulation.- 8.2.1 Aufheizvorgange.- 8.2.2 Atmungsphysiologische Aspekte.- 8.3 Stoffwechselleistung.- 8.3.1 Kenngroessen.- 8.3.2 Aufgliederung.- 8.3.3 Flugleistung als Funktion der Fluggeschwindigkeit.- 8.3.4 Fallstudie: Langzeitfluge und Temperatureffekte bei der Honigbiene (Feller, Nachtigall 1989).- 8.3.5 Fallstudie: Langzeitfluge und Stoffwechseleffekte bei der Honigbiene (Nachtigall et al. 1989).- 8.4 Groesseneffekte.- 8.4.1 Groesse und Thermoregulation.- 8.4.2 Groesse und Stoffwechselleistung.- 8.4.3 Groesse und Wirkungsgrad.- 8.4.4 Leistungsgewichte und Transportkosten.- Literatur.- 9 Flugverhalten.- 9.1 Start und Landung.- 9.1.1 Anwerfen des Flugmotors und Start.- 9.1.2 Absprung zum Flug.- 9.1.3 Wegstart aus dem Schwirrflug.- 9.1.4 Abschalten des Muskelmotors und Landung.- 9.1.5 Landung an senkrechten Flachen.- 9.1.6 Landung an der Zimmerdecke.- 9.2 Streckenflug und Wanderzuge.- 9.2.1 Fluggeschwindigkeit.- 9.2.1.1 Vergleichswerte aus der Literatur.- 9.2.1.2 Suchfluge subalpiner Dipteren.- 9.2.1.3 Streckenfluge von Hornissen.- 9.2.1.4 Streckenflug von Honigbienen.- 9.2.1.5 Vergleich mit einer Zeitungsente aus den 20er Jahren.- 9.2.2 Flughoehe.- 9.2.3 Flugelschlagfrequenz.- 9.2.4 Flugstrecke und -dauer.- 9.2.5 Wanderzuge.- 9.2.5.1 Eintagsfliegen.- 9.2.5.2 Libellen.- 9.2.5.3 Kafer.- 9.2.5.4 Schmetterlinge.- 9.2.5.5 Heuschrecken.- 9.2.6 Energetische Aspekte.- 9.2.7 Fluge gegen den Wind.- 9.2.7.1 Nutzung der Windgrenzschicht.- 9.2.7.2 Finden von Pheromonquellen.- 9.3 Flugverhalten bei unterschiedlichen Flugzustanden.- 9.3.1 Steigflug.- 9.3.2 Gleit- und Segelflug.- 9.3.3 Schwirrflug.- 9.3.4 Tanzflug.- 9.3.5 Erratischer Flug, Zirkulationsflug.- 9.3.6 Einstellung unterschiedlicher Variablen-Kombinationen.- 9.3.7 Anflug zur Landung.- 9.3.8 Facheln.- 9.4 Lastfluge.- 9.4.1 Pollentransport.- 9.4.2 Materialtransport.- 9.4.3 Beutetransport.- 9.5 Sonstige Fluge.- 9.5.1 Paarungsfluge.- 9.5.1.7 Werbefluge.- 9.5.1.8 Fluge in Kopula.- 9.5.2 Suchfluge.- 9.5.3 Erntefluge.- 9.5.4 Beutefang im Flug.- 9.5.5 Angriffsfluge.- 9.5.6 Spiralfluge vor Lichtquellen.- Literatur.- 10 Evolution des Flugvermoegens.- 10.1 Grundgedanken.- 10.2 Von welcher morphologischen Basis ausgehend haben sich Flugelvorlaufer entwickelt?.- 10.2.1 Die Prototergalia-Theorie.- 10.2.2 Die Paranotalia-Theorie.- 10.2.3 Weitere theoretische Ansatze.- 10.3 Moegliche Formen, Bewegungsweisen und Funktionen fruher seitlicher Thoraxanhange.- 10.4 Vorstellungen uber die Weiterevolution uber "Proto-Flugel" zu funktionellen Luftkrafterzeugern.- 10.4.1 Moeglichkeiten einer "scharniergelenkigen" Beschrankung auf eine Schlagkomponente.- 10.4.2 Weiterentwicklung durch eine dazukommende Drehkomponente.- 10.5 Wie flogen die Riesenlibellen des Karbon?.- Literatur.- 11 Anhange.- 11.1 Anhang 1: Zuordnungsgrafiken fur zwei speziell betreute Teilgebiete aus der Arbeitsgruppe Nachtigall zum Themenkreis "Insektenflug".- 11.1.1 "Prinzipien der Flugsteuerung bei Heuschrecken" Betreut von B. Moehl (teils mit W. Zarnack, H.-K. Pfau u.a.).- 11.1.2 "Der Insektenflugel als ultraleichte Tragwerkkonstruktion" Betreut von A. Kesel.- 11.2 Anhang 2: Publikationen der Arbeitsgruppe Nachtigall zum Themenkreis "Insektenflug".- Namensverzeichnis.- Insektennamen.