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An Land wirken Pinguine unbeholfen und tollpatschig, doch im Wasser bewegen sie sich mindestens ebenso geschickt und akrobatisch wie ihre flugfähigen Verwandten. Die Physik hinter ihren Schwimmbewegungen unterscheidet sich allerdings stark von der fliegender Vögel. Forscher des Tokyo Institute of Technology haben jetzt in einer neuen Studie das Kurvenschwimmen bei Pinguinen genauer untersucht.
Die physikalischen Grundlagen des Pinguin-Schwimmstils sind bereits in einigen wenigen Studien untersucht worden. Die meisten von ihnen konzentrierten sich jedoch auf das Vorwärtsschwimmen und nicht auf die Bewegungen in Kurven. Bestehende Studien über die zugrundeliegenden Mechanismen bei fliegenden Vögeln lassen sich jedenfalls nicht auf die Pinguine übertragen. Da Wasser 800-mal dichter ist als Luft, ist auch der zu überwindende Widerstand viel größer und erfordert andere Bewegung, um die Kurve zu kriegen.
Zwei japanische Physiker des Tokyo Tech haben daher Eselspinguine, die im Nagasaki Penguin Aquarium leben, beim Schwimmen beobachtet. Sie wollten die dreidimensionale Kinematik und die hydrodynamischen Kräfte, die den Pinguinen das Kurvenschwimmen ermöglichen, besser verstehen. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Journal of Experimental Biology veröffentlicht.
Die beiden Forscher installierten im Wassertank der Pinguine mehr als ein Dutzend Unterwasserkameras und zeichneten die Schwimmbewegungen der Tiere auf, die sie an verschiedenen Stellen am Körper und an den Flippern mit farbigen Markierungen ausstatteten. Dank spezieller Technik, der direkten linearen 3D-Transformation, konnten sie so detaillierte 3D-Bewegungsanalysen durchführen.
Anhand dieser Daten erstellten die Forscher dann ein mathematisches 3D-Körpermodell der Pinguine. Dieses Modell umfasste die Ausrichtung und die Winkel des Körpers, die verschiedenen Positionen und Bewegungen der Flipper bei jedem Schlag sowie damit verbundene kinematische Parameter und hydrodynamische Kräfte. Statistische Analysen und Vergleiche mit den experimentellen Daten gewährten den Forschern Einblicke in die Rolle der Flipper und anderer Bewegungen des Körpers während der Drehung.
Die wichtigsten Ergebnisse der Studie zeigen, wie Pinguine Zentripetalkraft erzeugen, um ihre Bewegung in Kurven zu unterstützen. Teilweise erreichen sie dies, indem sie eine nach außen gerichtete Schräglage beibehalten. Sie neigen also ihren Körper so, dass ihr Bauch nach innen zeigt. In Kurven mit Vortrieb — solchen bei denen der Pinguin mit den Flippern schlägt — erfolgen die meisten Richtungsänderungen während des Aufwärtsschlages, wohingegen der Vorwärtsschub während des Abwärtsschlags erfolgt.
Darüberhinaus haben die Forscher festgestellt, dass Pinguine während Ausführung der Kurve asymmetrisch mit den Flippern schlagen. «Wir fanden kontralaterale Unterschiede in der Flügelbewegung; der Flügel auf der Innenseite der Kurve wird während des Aufschlags stärker angehoben als der andere», erklärt Hiroto Tanaka, außerordentlicher Professor am Tokyo Tech und Co-Autor der Studie. «Quasistationäre Berechnungen der Flügelkräfte bestätigten, dass diese Asymmetrie in der Flügelbewegung mit der Auswärtsneigung zur Erzeugung der Zentripetalkraft während des Aufschlags beiträgt. Beim anschließenden Abschlag erzeugt der Innenflügel Schub und ein Gegengiermoment, um die Drehung abzubremsen.»
Die neuen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Fortbewegung von Pinguinen bei und sind nicht nur aus biologischer sondern aus technischer Sicht von Bedeutung. Die Forschung der beiden Physiker ist nämlich auch die Grundlage für einen Pinguin-Roboter. Professor Tanaka merkt jedoch an, dass diese Ergebnisse nur ein Teil des Puzzles sind: «Die Mechanismen verschiedener anderer Manöver bei Pinguinen, wie die schnelle Beschleunigung, das Auf- und Abtauchen und der Sprung aus dem Wasser, sind noch unbekannt. Unsere Studie dient als Grundlage für das weitere Verständnis der komplexeren Manöver.»
Julia Hager, PolarJournal
Beitragsbild: Michael Wenger
Link zur Studie: Natsuki Harada, Hiroto Tanaka. Kinematic and hydrodynamic analyses of turning manoeuvres in penguins: body banking and wing upstroke generate centripetal force. Journal of Experimental Biology, 2022; 225 (24) DOI: 10.1242/jeb.244124