Prof. Ulrich Walter - Wissen schafft was
Prof. Ulrich Walter ist Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut und schreibt Kolumnen für N24 Online
Univ.-Prof. Prof. h.c. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Ulrich Walter Diplom-Physiker, Wissenschafts-Astronaut Herr Ulrich Walter, Jahrgang 1954, ist Ordinarius für Raumfahrttechnik an der Technischen Elite-Universität München. Nach dem Studium der Physik an der Universität Köln, an den Argonne National Laboratories in Chicago und an der University of California in Berkeley, wurde er im Jahre 1987 ins Deutsche Astronautenteam berufen und trainierte bis zu seiner Shuttle Mission D-2, 26. April bis 6. Mai 1993, am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR, in Köln-Porz und am Raumfahrtzentrum der NASA in Houston. Es folgten Stationen beim DLR und bei der IBM. Seit März 2003 leitet er den Lehrstuhl für Raumfahrttechnik an der Technischen Universität München und lehrt und forscht im Bereich Raumfahrttechnologie und Systemtechnik. Seine Schwerpunkte sind Echtzeit-Robotik im Weltraum, Intersatelliten-Kommu­nikations-Technologien, Technologien für planetare Erkundungen und Systemmodellierung und -optimierung. Herr Walter ist unter anderem Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats des Deutschen Museums und Präsident des Hermann-Oberth-Museums in Feucht. Er ist zudem erfolgreich als Autor und Publizist tätig. Prof. Walter wurde bundesweit zum Professor des Jahres 2008 in der Kategorie Ingenieurwissenschaften und Informatik gewählt. 
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Dynamik schlägt Statik Warum Hummeln fliegen können

Es heißt, Physiker hätten bewiesen, dass Hummeln theoretisch gar nicht fliegen könnten. So schaffen sie es dennoch.

Ich dachte, ich traue meinen Augen nicht. Im Wissensteil der "Süddeutschen Zeitung" vom 15. Januar las ich unter dem Titel "Viel Wirbel um die Hummel": Wäre die Hummel ein klassisches Flugzeug, sie würde unter diesen Bedingungen ruckzuck abstürzen. Doch weil die Hummel ein Flugkünstler ist, tun ihr turbulente Winde nichts an.

Moderne Legenden

Da ist sie wieder, die moderne Legende, Hummeln dürften nach den Gesetzen der Physik gar nicht fliegen können. Oder noch schöner: Physiker haben bewiesen, dass Hummeln nicht fliegen können. Das ist ein typisches Mem (englisch meme), eine moderne Legende. Ein anderes Mem ist: "Wir waren nie auf dem Mond" oder "Das Volk mit den meisten Wörter für Eis und Schnee sind die Eskimos“ oder "Die Teflonpfanne kommt aus der Raumfahrt".

Die Fährte der Hummel-Legende lässt sich bis ins Jahr 1934 zurückverfolgen. Damals zitierte der Insektenforscher Antoine Magnan in seinem Buch Le Vol des Insectes ("Insektenflug") seinen Assistenten André Sainte-Laguë, einen Ingenieur, demnach Flügel so groß wie die einer Hummel bei Hummelfluggeschwindigkeit einen zu geringen Auftrieb erzeugen, um eine Hummel zu tragen. Daher könne sie eigentlich gar nicht fliegen!

Das ist natürlich eine wunderschöne Lachnummer, wie gemacht für Technik-Skeptiker, denn da sieht man angeblich mal wieder: Die Natur ist cleverer als alle Naturwissenschaftler zusammen (meinen rein statistisch gesehen doppelt so viele Frauen wie Männer in Deutschland) und das macht die Hummel zu einem Flugkünstler, der allen Physikern ein Schnippchen schlägt (meint offensichtlich die SZ).

Fliegen ist nicht skalierbar

Wie ist das denn nun wirklich mit der Hummel, oder Fluginsekten allgemein? Der Denkfehler, dem viele Menschen - auch Physiker und Ingenieure - unterliegen, ist, dass Phänomene in unserer Welt beliebig skalierbar sind. Das bedeutet, Phänomene, so wie wir es auf unserer Größenskala (etwa 1m) kennen, müssen im Großen (Universum) und Kleinen (Mikrokosmos) genauso sein. Aber dem ist nicht immer so. So ist ein Goldklumpen bekanntlich goldgelb glänzend, während Gold-Nanopartikel tiefrot sind.

Mit dem Fliegen verhält es sich ähnlich. Jeder, der einmal einen Papierflieger gebaut hat, weiß, dass die anders fliegen als Segelflugzeuge und man beide deshalb ganz anders bauen muss. Und daher muss eine noch kleinere Hummel ganz anders gebaut sein und anders fliegen als ein Papierflieger oder ein Segelflugzeug. Die tiefe physikalische Ursache dafür ist die so genannte Reynoldszahl, aber keine Sorge, das mit der Hummel kann man auch einfacher verstehen.

Dynamik schlägt Statik!

Der Ingenieur André Sainte-Laguë hatte zwar prinzipiell Recht, eine segelfliegende Hummel kann nicht genug Auftrieb erzeugen, um zu fliegen oder zu schweben. Aber sie segelt eben nicht, sondern Insekten schlagen mit ihren Flügeln zwischen 20 und 600 Mal pro Sekunde. Das ist offensichtlich etwas ganz anderes. So wird aus einem so genannten stationären Flugzustand eines Segler oder Papierfliegers (immer gleiche Strömungsverhältnisse um einen Flügel) ein dynamischer Flugzustand (die Strömungsverhältnisse um die Flügel ändern sich ständig).

Und genau das ist der Knackpunkt. Mit Dynamik lassen sich ganz andere Sachen machen als mit Statik. Ein schönes Beispiel ist Fahrradfahren. Solange ein Fahrrad auf der Stelle steht und man nichts macht, fällt es unweigerlich um. Denn die Standfläche ist lediglich eine Linie, nämlich die zwischen den beiden Punkten, wo die Räder den Boden berühren. Selbst wenn man anfangs das Fahrrad absolut aufrecht hinstellt und damit den Schwerpunkt exakt auf die Linie ausbalanciert, reicht der kleinste Lufthauch, jede kleinste Störung und der Schwerpunkt liegt etwas daneben und das Fahrrad kippt um. Das ist Statik.

Wenn man sich aber drauf setzt und damit fährt und dabei die richtigen Lenkbewegungen macht, dann fällt man nicht mehr um. Dynamik schlägt Statik! Nur so funktioniert vieles in unserer Welt was sonst gar nicht funktionieren könnte.

Ein anderes schönes Beispiel ist Gehen auf zwei Beinen. Die Körperhaltung eines Menschen in jedem Moment des Gehens ist statisch instabil. Schauen Sie sich ein Foto eines gehenden Menschen an. Egal in welchem Geh-Moment das Foto genommen wurde, würde man in der Haltung seitlich oder nach vorne umkippen. Aber wir haben in der Kindheit gelernt, viele solcher statisch instabilen Zustande kontinuierlich und geschickt aneinander zu reihen, um dynamisch stabil zu gehen.

Wie nutzen nun Hummeln Dynamik um zu fliegen, obwohl das statisch bei ihrer Größe gar nicht funktionieren dürfte? Das zeige ich beim nächsten Mal. 

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