Hur flyger rödstjärten vid olika hastigheter och stigningsvinklar

Mikael Pontarp
Hur flyger rödstjärten vid olika hastigheter och stigningsvinklar
Människan har i alla tider varit fascinerad av flykt. Många av framstegen och den utveckling
som gjorts inom flygaerodynamik har till viss del inspirerats av fågelflykt. Redan runt år 1500
skissade Leonardo da Vinci på farkoster som var inspirerade av fåglars flygförmåga. Med
hjälp av teknikens framsteg är dagens flygfarkoster mycket avancerade. Med detta i åtanke är
det lockande att tro att vi har en hög förståelse för hur fåglars flykt fungerar. Det är dock
fortfarande så att vår förståelse för fågelflykt i många avseenden är bristfällig.
Samma fysikaliska krafter verkar på en mänskligt bygd farkost som på en fågelkropp. Trotts
detta, skiljer sig kraftproduktionen avsevärt mellan fåglar och flygplan. Den framåtkraft som
är nödvändig för att motverka luftmotstånd produceras av en jetmotor eller propeller hos ett
flygplan. Samtidigt produceras nödvändig lyftkraft av vingarna. Hos fåglarna produceras både
lyftkraft och framåtkraft av vingarna.
Flygsätt hos fåglar styrs till stor del av fysiologiska och morfologiska förutsättningar. Dessa
faktorer speglar i sin tur fågelns ekologi. Genom att studera flykt får vi dessutom kunskaper
om adaption och evolution. Sist men inte minst kan man också utveckla de allmänna
aerodynamiska kunskaper som kommersiellt och militärt flyg baseras på. I detta projekt
studerades och analyserades en rödstjärts flygkinematik (fågelkroppens och vingarnas rörelser)
för första gången. Kraften som produceras av vingarna är beroende av flyghastighet och flyg
vinkel (stigande och sjunkande flykt). Dessa parametrar ändrades under kontrollerade former
då fågeln flög i en vindtunnel. Fågelns rörelser filmades med höghastighetskameror då
flyghastigheten ändrades mellan 5 och10 m/s med hjälp av vindtunnelns vindflöde. Fågeln
filmades även då den tvingades stiga respektive sjunka, detta gjordes genom att vindtunneln
vinklades i förhållande till gravitationen. Genom att göra dessa studier får vi en uppfattning
om begränsningar och möjligheter vad gäller rödstjärtens flygförmåga. Dessa resultat kan
senare kopplas till tidigare och nya kunskapsområden som nämnts ovan.
Vingslagsfrekvensen för rödstjärten ändras inte med olika flyghastigheter. Man kan dock hitta
ett positivt samband mellan frekvens och stigande flykt. Resultatet för frekvensen är, i detta
fall, starkt påverkat av antalet uppslagspauser som ökar med sjunkande flykt. Dessa och
tidigare resultat visar att frekvensen inte påverkar fågelflykt konsekvent. Nedslagshastighet
och vingamplitud verkar vara bättre variabler att studera för att dra slutsatser vad gäller
fåglars begränsningar och möjligheter. Dessa variabler ökar med ökad kraftproduktion både
då flyghastigheten och stigningsvinkeln ökar. Det är inte bara nedslaget utan även uppslaget
som är aktivt under en vingslagscykel. Rödstjärtens uppslagsspann ändrar sig inte vid olika
flyghastigheter. Trotts detta kan det ske en ökad lyftkraftsproduktion pga. att hastigheten ökar.
Uppslagsspannet minskas med sjunkande flykt vilket indikerar att lyftkraftsproduktionen
minskas. Samtidigt ökar antalet uppslagspauser vid sjunkande flykt, vilka i sig kan ge
lyftkraft, och därmed producera den nödvändiga lyftkraften. Kroppsvinkeln, i förhållande till
vindströmmen, minskas med både ökad hastighet och stigande flykt. På samma sätt reduceras
stjärtvinkeln vid ökad hastighet men inte med stigande flykt. Anledningen till detta kan vara
att minska luftmotståndet vid hög kraftproduktion, som t.ex. är fallet vid höga hastigheter.
Samtidigt kan kropps- och stjärtvinkeln ge lyftkraft, kontroll och balans vid lägre hastigheter.
Handledare: Anders Hedenström och Christoffer Johansson
Examensarbete 20 p i Teoretisk ekologi. Vt 2005
Ekologiska institutionen, Avdelningen för teoretisk ekologi, Lunds universitet

Summary
When a bird is flying at different power requirements, kinematic variables reflect
morphological and physiological constraints and possibilities for the bird. By studying
kinematics we can get deeper understanding of natural selection and adaptation on bird flight.
Additionally we get deeper understanding of flight aerodynamics in general and bird flight
aerodynamics in particular. Flight kinematics of a restart Phoenicurus phoenicurus was
studied when flying at different power requirements in a wind tunnel. Power requirement was
changed by changing flight speed between 5-10 ms -1 and flight angles between -5.5
(descending) and 5.5 (ascending). Two synchronised high speed video cameras were used to
obtain one ventral and one lateral view of the bird body, tail and wings. Points on the bird
were digitized and converted to real world coordinates. We investigated wing kinematics,
body tilt angel and tail angle of attack. The redstart is using intermittent flight with upstroke
pause which makes the wingbeat frequency an unreliable variable when investigating power
output. More reliable variables, describing power output change, seem to be amplitude and
downstroke speed which both increase with increased power requirements. Span ratio
decreased and upstroke pause increased with descending flight, which indicates that the bird
is using the upstroke for lift production while descending. Body angle changed with both
speed and flight angle, while tail angle only changed with speed. This indicates that the bird is
reducing drag at high speeds by reducing body and tail angle. However the body and tail
angle might still be in use of the bird by inducing lift, balance and flight control. The
plasticity and complexity in flight kinematics is extensive and hard to interpret. To get further
knowledge about bird flight more detailed kinematics studies combined with vortex wake
studies is desirable in the future.