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Schnell wie ein
Delphin
Dem Sportpädagogen
Thierry Brunel geht es um eine Leistungsverbesserung im Schwimmsport.
Aus diesem Grund interessiert er sich für Delphine. Diese Tiere besitzen
die unglaubliche Fähigkeit, über weite Strecken eine Geschwindigkeiten
von 65 Kilometern pro Stunde zu halten.
Thierry Brunel hat seine eigene
Theorie zur Erklärung dieses Phänomens entwickelt und die Tiere
während der Delphinshows im Marineland von Antibes genau beobachtet.
Heute versucht er Chloé seine Hypothese zu erklären.
Thierry Brunel
Die Kommunikation mit den Tieren ist sehr wichtig, denn wenn ich auf dem
Meer einem Delphin begegne, kann ich mich mit ihm natürlich nicht
unterhalten. Man muss ihm erst beibringen, mit den Menschen zu kommunizieren.
Und diese Kommunikation macht es überhaupt erst möglich, genauer
zu untersuchen, mit welcher Art von "Antriebskräften" sich
diese Tiere fortbewegen. Ich könnte einem Delphin ja niemals sagen,
schau, ich habe eine Kamera dabei, mit der ich Entfernungen messen kann,
schwimm' doch bitte mal an diesen oder jenen Ort. Das tut er nur, wenn
man es ihm zuerst beibringt und mit ihm kommuniziert. Deshalb komme ich
hierher ins Marineland, denn nur hier habe ich die Delphine in Reichweite.
Nur hier kann ich meine Experimente durchführen, weil die Tiere das
tun, was ich ihnen sage.
Mit unserer Studie wollen
wir sozusagen das Antriebssystem der Delphine untersuchen. Dazu müssen
wir zunächst einmal verstehen lernen, was passiert, wenn ein Delphin
im Wasser schwimmt. Da ist einerseits die Luft und andererseits das Wasser.
Was geschieht nun im Einzelnen? Da ein Delphin - im Gegensatz zu allen
anderen Fischen - atmet, muss er regelmäßig aus dem Wasser
an die Oberfläche tauchen. Und diese Tatsache stellt ihn vor einige
Probleme. Im Wasser gibt es nämlich drei verschiedene Arten von Widerständen,
die einen Körper bremsen.
Den Ersten dieser Widerstände nennt man Reibung. Dabei handelt es
sich eigentlich um Wasser, das über unsere Haut, bzw. die des Delphins
rinnt und dadurch eine Reibung verursacht. Wir wollen nun versuchen, uns
diese Widerstandsreibung ein wenig zu verdeutlichen. Hier haben wir zwei
Holzbretter. Das eine ist mit Plastikfolie bedeckt und soll die relativ
glatte Haut eines Delphins nachbilden. Für das andere haben wir ein
Frotteehandtuch genommen, denn menschliche Haut ist viel großporiger
als die von Delphinen. Das Handtuch ist also etwas rauer als die Plastikfolie.
Zwei Münzen sollen jeweils ein Wassermolekül darstellen, das
über den Körper eines Menschen bezw. eines Delphins rinnt. Wir
wollen nun sehen, welches von beiden leichter hinuntergleitet. Wenn ich
die Holzbretter vorsichtig anhebe, erkennt man sofort, dass die Münze
hier ganz leicht über die "Haut des Delphins" gleitet;
im anderen Fall...
Chloé
... entsteht eine Reibung...
Thierry Brunel
... entsteht auf der "menschlichen Haut" eine Reibung.
Chloé
... ja, und davon wird die Münze gebremst.
Thierry Brunel
... beim Menschen ein wenig stärker als beim Delphin. Aber Achtung,
auch die Haut des Delphins ist nicht völlig glatt. Auch sie ist von
einigen kleinen Unebenheiten und mikrofeinen Härchen durchzogen,
die den Effekt der so genannten laminaren Strömung begünstigen.
Nun haben wir also gesehen, was es mit dem Reibungswiderstand auf sich
hat. Doch diesen Widerstand kann der Delphin eigentlich nicht beeinflussen.
Bei der Geburt hat die menschliche Haut oder die eines Delphins eben eine
ganz bestimmte Beschaffenheit, und die verändert sich auch nicht.
Eine Veränderung geschieht nur im Verlaufe der Evolution - das dauert
aber Jahrhunderte oder Jahrtausende.
Die zweite Art von Widerstand hingegen spielt schon eine sehr viel größere
Rolle - es handelt sich dabei um den so genannten Formwiderstand. Der
Formwiderstand wird bestimmt durch die Form des Delphins oder durch die
Form des Menschen oder die eines Schiffes. Das Wasser bremst einen solchen
Körper.
Chloé
Also, er wird durch seine Oberfläche gebremst...?
Thierry Brunel
Genau. Die dem Wasser ausgesetzte Fläche wirkt einer Vorwärtsbewegung
entgegen. Diesen Formwiderstand kann man zeigen, indem man den Schatten
eines Delphins darstellt. Nimm' einmal an, dieser Delphin hier würde
in einem Becken auf eine Wand zuschwimmen. Wenn er sich so fortbewegt
erkennt man, dass er einen relativ kleinen Schatten wirft. Das nennt man
stromlinienförmig. Wenn sich der Delphin nun aber senkrecht zum Wasser
bewegt, wird sein Schatten bedeutend größer. Damit steigt natürlich
in einer solchen Position der Widerstand gegen seine Vorwärtsbewegung
an und ist viel größer, als würde er in waagerechter Haltung
schwimmen.
Auch hier ist es wieder
das Gleiche: Ob beim Auto oder beim Delphin, am Formwiderstand ist nicht
viel zu machen. Der Delphin kann sich so oder so positionieren, aber wenn
er diese Stellung eingenommen hat, ist es ihm nicht möglich, kleiner
oder größer zu werden. Er kann also durch seine Position Einfluss
auf den Formwiderstand nehmen, aber wenn er dieses Problem erst einmal
geregelt hat, ist er mit seinem Latein auch schon am Ende.
Die dritte Art des Widerstandes
nennt man Wellenwiderstand - und mit diesem Phänomen wollen wir auch
versuchen, das Problem des Delphins zu lösen. Nehmen wir als Beispiel
einmal dieses kleine Boot hier. Eben haben wir gesagt, dass wir uns zwischen
der Luft und dem Wasser bewegen - also zwischen zwei Fluiden. Ein Wellenwiderstand
existiert aber nur auf der Wasseroberfläche. Dieses Brett hier erzeugt
kleine Wellen - da vorne kann man sie sehen, einverstanden? Drücke
ich das Brett nun unter Wasser, entstehen solche Wellen nicht. Einen Wellenwiderstand
gibt es also nur, wenn der Delphin zum Atmen an die Oberfläche kommt
oder auf dem Wasser schwimmt. Solange er unter Wasser bleibt, entsteht
auch kein Wellenwiderstand.
Chloé
Ja, einverstanden.
Thierry Brunel
Also, das will ich dir jetzt mit meinem kleinen Boot demonstrieren. Ein
Körper auf einer Wasseroberfläche erzeugt einen so genannten
Wellenzug. Ein solcher Wellenzug besteht nicht aus einer einzigen Welle,
sondern aus einem Wellenpaar. Die eine der beiden Wellen befindet sich
am Bug und die andere entsteht am Heck - das ist eine solche Vertiefung
im hinteren Bereich.
Der Delphin hat nun zwei Möglichkeiten: Entweder er verringert seinen
Wellenwiderstand oder er erhöht seine Schubkraft. Ich möchte
versuchen, dir das anhand einer Kurve zu erläutern...
Es gibt also drei verschiedene Arten von Widerständen, und die Summe
dieser Widerstände bewirkt, dass wir Probleme haben, uns im Wasser
vorwärts zu bewegen.
Chloé
Ja.
Thierry Brunel
Am Reibungswiderstand ist nichts zu machen. Der hängt von meiner
Haut ab. Der Formwiderstand ist das Ergebnis meiner äußeren
Gestalt. Auch darauf habe ich wenig Einfluss. Aus dieser Kurve hingegen
geht hervor, dass ein Delphin oder ein Schwimmer umso mehr Wellen erzeugt,
je schneller er sich fortbewegt.
Und dass er von diesen
Wellen umso mehr gebremst wird, je höher sie sind.
Das bedeutet also, je schneller ein Delphin schwimmt, desto größer
wird sein Wellenwiderstand.
Chloé
Ja.
Thierry Brunel
Wir wollen uns nun anschauen, wie das "Antriebssystem" von Haien
funktioniert und verstehen lernen, auf welche Art und Weise sie sich fortbewegen.
Du musst vor allem auf ihre Hinterflossen achten - die Haie bewegen sie
von links nach rechts. Und das ist auch schon ihr Antriebssystem. Was
passiert dabei genau? Alle Fische - Goldfische, Lachse, die gesamten Süßwasser-
und Meeresfische - schlagen zur Fortbewegung ihre Schwanzflossen in horizontaler
Richtung von links nach rechts. Eben während der Delphinvorstellung
konnte man sehen - ich weiß nicht, ob es dir aufgefallen ist, wenn
nicht, musst du das nächst Mal ganz besonders darauf achten - dass
sich die Schwanzflossen der Delphine von oben nach unten bewegen - wie
bei den Schwertwalen und allen anderen Walfischen.
Die Schwertwale sind schon
eine Nummer größer als Delphine...! Und wir wollen uns anschauen,
wie hoch die Wellen sind, die bei ihren Schwimmbewegungen entstehen. Wir
werden sehen, dass ein Männchen von etwa vier Tonnen Gewicht eine
riesige Welle erzeugt. Sehen wir uns seine Bugwelle einmal an, aber vor
allem auch die, die hinter seinen Schwanzflossen entsteht. Sieh nur, was
für eine enorme Welle er hinter sich herzieht! So, und jetzt lässt
er sich von der Welle einholen, die ihm einen zusätzlichen Schub
gibt und ihn zurück zu seinem Pfleger bringt.
Wir haben also gesehen, dass
es im Wasser drei verschiedene Widerstände gibt. Im Folgenden wollen
wir uns aber ausschließlich auf den Wellenwiderstand konzentrieren.
Ein Japaner namens Inuit hatte 1860 die Idee, ein Boot mit einem Bulb
zu bauen. Das heißt...
Chloé
Was ist das, ein Bulb?
Thierry Brunel
Anstatt eines einfachen Kiels hat er vorne am Schiff eine Art Ausbuchtung
angebracht...Das ist
so etwas Ähnliches wie die Schnauze eines Delphins. Das heißt,
am Schiff wurden vorne und hinter weit ausladende Nasen angebracht.
Der
japanische Schiffskonstrukteur hat festgestellt, dass ein Schiff mit einem
jeweils 16 Meter langen Bulb am Bug und am Heck keinen Wellenzug mehr
erzeugt. Was ist daran für uns so interessant? Wie lässt sich
das auf unsere Delphine übertragen? Nun, in Form seiner Schnauze
besitzt er natürlich auch einen solchen Bulb.
Chloé
Ja.
Thierry Brunel
Der vordere ist ziemlich klein, aber auch die Schwanzflossen hinten bilden
einen solchen Bulb.
Und nun will ich abschließend
noch zwei Phänomene vorstellen, die uns helfen werden zu verstehen,
warum die Delphine so schnelle Schwimmer sind. Zunächst einmal möchte
ich dir erklären, wie Wellen eigentlich funktionieren. Diese beiden
Bälle sollen eine solche Welle darstellen. Betrachten wir zunächst
einmal nur meinen Ball hier. An dieser Stelle ist das Wasser höher,
dort niedriger, und hier steigt es wieder an - wie bei einer richtigen
Welle. Ich lege nun meine Hand hier oben auf diesen Ball und stelle mir
vor, sie wäre ein Wassermolekül seiner Oberfläche. Wenn
ich diese Welle jetzt um ihre eigene Achse drehe - ganz langsam und vorsichtig
- kehrt auch das Wassermolekül wieder an seinen ursprünglichen
Platz zurück. Mache ich das Gleiche nun mit zwei Wellen, bewegen
sich auch diese beiden nicht von der Stelle, sondern bleiben an ihrem
Platz. Wir drehen unsere Bälle gleichzeitig um ihre eigene Achse
- das heißt, du stellst die hintere Welle des Schiffes dar und ich
die vordere. Und schließlich kehren unsere Hände wieder auf
den jeweiligen Scheitelpunkt zurück. Dieses Prinzip drückt aus,
dass bei einer Welle die Wassermoleküle immer am gleichen Platz bleiben.
Das heißt, sie schieben sich nach vorne, weichen zurück, aber
nach einer Umdrehung sind sie wieder an ihrer ursprünglichen Stelle
angelangt.
Chloé
Aber wieso sieht man dann am Strand eine Welle auf sich zukommen?
Thierry Brunel
Eine Welle, die auf den Strand zurollt, bewegt sich nicht wirklich. Was
sich bewegt, ist der Wellenzug, das heißt, die einzelnen Wassermoleküle
übertragen ihre Energie auf die nächste Welle. Die Welle selbst
dreht sich um die eigene Achse, aber ihr Wasser bewegt sich nicht auf
den Strand zu.
Thierry Brunel
Hast du das verstanden? Kommen wir nun auf unseren Delphin zurück.
Das Interessanteste für ihn ist...
Chloé
... auf der Welle zu schwimmen...
Thierry Brunel
... auf der Welle zu schwimmen. Wenn er sich hier befindet, was geschieht
dann? Die Welle schiebt ihn nach vorne, ohne dass er auch nur das Geringste
dafür tun muss. Das spart Kräfte. Und wurde er erste einmal
nach vorne geschoben, was passiert dann bei der nächsten Welle?
Chloé
Er wird wieder nach hinten gedrückt.
Thierry Brunel
Ja. Das heißt, das Problem wird hier sein, dass unser Delphin vom
Wasser wieder zurückgedrängt wird.
Chloé
Ja.
Thierry Brunel
Also wird er an dieser Stelle versuchen, unter der Welle hindurchzutauchen,
so daß er schließlich hier ankommt. Und nun hilft ihm die
Drehrichtung des Wassers dabei, wieder nach oben auf den Wellenkamm zu
gelangen. Dort nimmt ihn die nächste Welle erneut mit, usw. usw...
Chloé
O.k.!
Thierry Brunel
Welche Wirkung auf die Welle hatte nun der Schiffsbulb, von dem wir vorhin
gesprochen haben?
Chloé
Er hat sie gebrochen.
Thierry Brunel
Er hat sie gebrochen. Und der Delphin kann mit seiner Schnauze und den
Schwanzflossen seinen eigenen Bulb kontrollieren, das heißt, er
sagt sich, jetzt fahre ich meinen Bulb aus, denn ich will keine eigenen
Wellen erzeugen, weil ich mir die Schiffs- oder Meereswellen zunutze machen
will. Wenn es aber mal keine Wellen gibt, wie beispielsweise in den Delphinbecken
hier, sagt er sich vielleicht, jetzt nehme ich meinen Bulb weg und erzeuge
mir meine eigenen Wellen!
Chloé
Und wie kann er seinen Bulb wegnehmen?
Thierry Brunel
Nun, das ist eine Frage der Kontrolle. Er kann seinen Bulb regulieren.
Der Bulb eines Schiffes ist unveränderlich, aber ein Delphin kann
seinen Kopf anheben oder absenken und damit seine Nase mehr oder weniger
weit herausstrecken. Und er kann die Stellung seiner Schwanzflossen kontrollieren.
Damit ist er in der Lage, in einem solchen Bassin wie hier in Marineland
seine eigenen Wellen zu erzeugen und sich von ihnen tragen zu lassen.
Dieses ganze Wellensystem, wie wir es mit den Ballons demonstriert haben,
ist lediglich eine Hypothese. Das alles wollen wir hier in Marineland
genauer untersuchen und erforschen. Wir werden zusammen mit den Delphinen
schwimmen gehen, um zu erkennen, wie sie ihre eigenen Wellen erzeugen
und auf welche Weise sie sich ihrer bedienen. Wir werden eine kleine Versuchsreihe
starten, die uns helfen soll, unsere Hypothese zu bestätigen oder
zu widerlegen.
In der nächsten Woche
gehen Thierry Brunel und Chloé zusammen mit den Delphinen schwimmen.
Sie legen Versuchsprotokolle an, um die Richtigkeit ihrer Hypothese belegen
zu können.
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