Advanced

Aerodynamic performance in bat flight

Håkansson, Jonas LU (2017)
Abstract (Swedish)
Den här avhandlingen handlar om aerodynamik hos fladdermöss. Det vill säga, hur fladdermöss skapar de krafter som låter dem flyga, hur de påverkar luften för att åstadkomma detta, och hur deras vingar rör sig när de gör det.

Tack vare förmågan att flyga kan djur utnyttja annars otillgängliga födoämnen, undfly rovdjur, och övervintra i varmare trakter. Fördelarna med flygning blir än mer uppenbara när man tänker på att flygning utvecklats minst fyra gånger i djurriket – hos insekter, reptiler, fåglar, och däggdjur.
Arbetet jag har utfört under min tid som doktorand har till stor del varit relaterat till att räkna ut hur mycket energi det kostar fladdermöss att flyga. Jag har gjort flödesmätningar i luften bakom, eller under,... (More)
Den här avhandlingen handlar om aerodynamik hos fladdermöss. Det vill säga, hur fladdermöss skapar de krafter som låter dem flyga, hur de påverkar luften för att åstadkomma detta, och hur deras vingar rör sig när de gör det.

Tack vare förmågan att flyga kan djur utnyttja annars otillgängliga födoämnen, undfly rovdjur, och övervintra i varmare trakter. Fördelarna med flygning blir än mer uppenbara när man tänker på att flygning utvecklats minst fyra gånger i djurriket – hos insekter, reptiler, fåglar, och däggdjur.
Arbetet jag har utfört under min tid som doktorand har till stor del varit relaterat till att räkna ut hur mycket energi det kostar fladdermöss att flyga. Jag har gjort flödesmätningar i luften bakom, eller under, fladdermöss. På detta vis har jag kunnat se hur mycket fladdermössen påverkar luften de flyger i, vilket i sin tur tillåtit mig räkna ut hur mycket energi fladdermöss tillför luften de flyger i.

Artikel I handlar om, ryttling, det vill säga stillastående flygning, hos Leptonycteris yerbabuenae, som är en nektarätande fladdermus. Ryttling hittar vi exempel på hos kolibrier, insekter, och fladdermöss, och även hos helikoptrar. För att förstå varför stillastående flygning är så intressant behövs kunskap om hur vingar fungerar. En vinge skapar lyftkraft genom att röra sig genom luften och tillföra den rörelsemängd nedåt (om den flyger framåt). När ett djur flyger framåt så passerar det en stor mängd luft som det kan påverka för att producera krafter. Ett djur som ägnar sig åt stillastående flygning rör sig inte genom luften på samma sätt, utan måste istället röra vingarna genom luften desto mer. Det är detta behov av att röra vingarna mer som gör stillastående flygning så energikrävande, och därför särskilt intressant.

I artikel I använde vi flödesmätningar under ryttlande fladdermöss för att undersöka hur mycket energi de tillförde luften, hur mycket lyftkraft de producerade under upp- respektive nedslaget, och vilka aerodynamiska virvlar den stillastående flygningen gav upphov till under fladdermusen. Vi var de första att använda modern flödesmätningsteknik för att undersöka ryttling hos fladdermöss, och därför även de första att kunna besvara frågan om vilken typ av aerodynamiska virvlar de producerar när de flyger på detta vis. Vi fann att stillastående fladdermöss producerar lyftkraft även under uppslaget, dock inte i samma utsträckning som insekter och kolibrier. Vi fann även att varje vinge producerar en individuell aerodynamisk virvel, och att de teoretiska modeller man tidigare använt för att skatta hur mycket energi en ryttlande fladdermus tillför luften var förhållandevis korrekta, men att de möjligen underskattade energin något.

Många fladdermöss är nattaktiva. För att kunna orientera sig i mörkret använder de sig av ekolokalisation. Ekolokalisation bygger på att fladdermusen producerar ett högfrekvent ljud med sina stämband, varpå den sedan lyssnar till ekot från detta ljud, och då kan uppfatta hur ljudet studsat mot olika föremål. Med hjälp av ekolokalisation kan fladdermöss orientera sig i mörker, och det hjälper vissa insektsätande fladdermöss att lokalisera bytesdjur. För att kunna lyssna väl behöver fladdermusen yttre öron som förstärker de inkommande ljuden. Yttre öron förbättrar även fladdermusens förmåga att lyssna efter bytesdjur som prasslar i löv, eller gör ljud på andra sätt. De yttre öronen sticker dock ut från kroppen och påverkar fladdermusens aerodynamik, särskilt om de är stora. Exakt hur öronen påverkar aerodynamiken är inte helt klart. De borde ge upphov till extra vindmotstånd, men det finns även forskning som tyder på att de kan producera extra lyftkraft.

I artikel II undersökte vi de aerodynamiska spåren bakom en långörad fladdermus, Plecotus auritus. Vi fann att öronen och kroppen gav upphov till virvlar som tyder på att det skapas lyftkraft av kroppen och öronen. Detta betyder att öronen kanske inte är ett så stort hinder för fladdermusens flygning som man tidigare trott. Tack vare ny och förbättrad mätapparatur fann vi dessutom tidigare osedda detaljer i de aerodynamiska virvlar som fladdermusen producerar, såsom mindre virvelstrukturer som roterade kring de större virvlarna och ett nytt sätt för fladdermöss att producera aerodynamisk kraft i flygriktningen under uppslaget vid långsam flygning.

Artikel III går än djupare in på de aerodynamiska konsekvenserna av stora öron och undersöker kvantitativt hur stora öron påverkar motståndskraften som fladdermöss möter när de flyger, samt hur detta påverkar hur mycket energi fladdermöss behöver tillföra luften för att flyga. I studien undersökte vi de kvantitativa konsekvenserna på motståndskraft, lyftkraft, och energikostnad vid flygning med stora öron genom att jämföra mätningar på en art med stora öron, långörad fladdermus, och en art med små öron, Glossophaga soricina. Vi fann att stora öron ger upphov till betydligt mer luftmotstånd, men att de även tycks producera mer lyftkraft än mindre öron. Det luftmotstånd vi uppmätte från kroppen på en flygande fladdermus, både med stora och små öron, var betydligt högre än vad man tidigare antagit, vilket antyder att kostnaden för att flyga med stora öron är betydande.

Artikel IV beskriver en metod som vi utvecklat för att räkna ut den tredimensionella formen på ett djurs vingar under flygning. Metoden bygger på att filma djuret under flygning med två höghastighetskameror samtidigt som vi projicerar ett slumpmässigt mönster av prickar på djuret via laserljus. Med hjälp av de projicerade prickarna kan sedan den tredimensionella formen på djurets vingar härledas via automatisk mönsterigenkänning och triangulering. En av metodens främsta styrkor är att den går att använda samtidigt som vi genomför mätningar av flödet fladdermusen producerar i luften. Detta gör det möjligt att jämför hur ett djur påverkar luften det flyger samtidigt med hur det rör sina vingar. Vi testade metoden genom att använda den på en långörad fladdermus som flög i vår vindtunnel. Med hjälp av metoden kunde vi se hur formen på fladdermusens vingar varierade längs vingspannet på ett sätt som påverkar vingarnas förmåga att skapa lyftkraft.
(Less)
Abstract
Bats are the only mammals capable of flight, and they are the only animal flyers that are mammals. This thesis focuses on the latter of those facts, and investigates how bats fly, from an aerodynamic perspective. The data on which this thesis is based were generated by examining the airflows beneath and behind bats flying in a wind tunnel, and by examining their wing kinematics manually and automatically, using high-speed cameras. We analysed the data by writing computer scripts and interfaces that calculated forces, powers, efficiencies, and kinematical and morphological parameters. Among other things, we found hovering bats to have asymmetrical wingbeats with regard to up- and downstroke, discovered new levels of complexity in the wakes... (More)
Bats are the only mammals capable of flight, and they are the only animal flyers that are mammals. This thesis focuses on the latter of those facts, and investigates how bats fly, from an aerodynamic perspective. The data on which this thesis is based were generated by examining the airflows beneath and behind bats flying in a wind tunnel, and by examining their wing kinematics manually and automatically, using high-speed cameras. We analysed the data by writing computer scripts and interfaces that calculated forces, powers, efficiencies, and kinematical and morphological parameters. Among other things, we found hovering bats to have asymmetrical wingbeats with regard to up- and downstroke, discovered new levels of complexity in the wakes of large-eared bats, quantified the aerodynamic consequences of large ears in bat flight, and we devised a new method for automatically reconstructing the wing shapes of flying animals. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Associate Professor Altshuler, Douglas, University of British Columbia, Vancouver, Canada
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Leptonycteris yerbabuenae, Plecotus auritus, Glossophaga soricina, PIV, aerodynamics, wing morphology, bats, wind tunnel, animal flight
pages
119 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Biology
defense location
Lecture Hall A213, Biology building A, Sölvegatan 35, Lund
defense date
2017-06-16 13:00
ISBN
978-91-7753-333-7
language
English
LU publication?
yes
id
b41f9923-019f-4db7-b424-8a5aa66f6799
date added to LUP
2017-05-23 08:25:28
date last changed
2017-06-09 16:09:52
@phdthesis{b41f9923-019f-4db7-b424-8a5aa66f6799,
  abstract     = {Bats are the only mammals capable of flight, and they are the only animal flyers that are mammals. This thesis focuses on the latter of those facts, and investigates how bats fly, from an aerodynamic perspective. The data on which this thesis is based were generated by examining the airflows beneath and behind bats flying in a wind tunnel, and by examining their wing kinematics manually and automatically, using high-speed cameras. We analysed the data by writing computer scripts and interfaces that calculated forces, powers, efficiencies, and kinematical and morphological parameters. Among other things, we found hovering bats to have asymmetrical wingbeats with regard to up- and downstroke, discovered new levels of complexity in the wakes of large-eared bats, quantified the aerodynamic consequences of large ears in bat flight, and we devised a new method for automatically reconstructing the wing shapes of flying animals.},
  author       = {Håkansson, Jonas},
  isbn         = {978-91-7753-333-7},
  keyword      = {Leptonycteris yerbabuenae,Plecotus auritus, Glossophaga soricina,PIV,aerodynamics,wing morphology, bats, wind tunnel,animal flight },
  language     = {eng},
  pages        = {119},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Biology},
  school       = {Lund University},
  title        = {Aerodynamic performance in bat flight},
  year         = {2017},
}