Flügel

Wir untersuchen mehrere aerodynamische und thermoregulatorische Hypothesen über mögliche adaptive Faktoren in der Evolution von Flügeln aus kleinen Flügelansätzen bei Insekten. Unter Verwendung physikalischer Modelle paläozoischer Insekten in einem Windkanal untersuchen wir die potenziellen Effekte von Flügeln zur Erhöhung der Gleitstrecke, zur Erhöhung der Ausbreitungsstrecke während des Fallschirmspringens, zur Verbesserung der Fluglagekontrolle oder Stabilität sowie zur Erhöhung der Körpertemperaturen während der Thermoregulation. Die Effekte von Körpergröße und -form, Flügelänge, Anzahl und Adern sowie meteorologischen Bedingungen werden berücksichtigt. Hypothesen, die sowohl mit festen als auch mit beweglichen Flügelgelenkungen übereinstimmen, werden untersucht. Kurze Flügel haben im Vergleich zu flügellosen Modellen keine signifikanten Auswirkungen auf die aerodynamischen Eigenschaften, während große Flügel signifikante Effekte haben. Im Gegensatz dazu haben kurze Flügel im Vergleich zu flügellosen Modellen große thermoregulatorische Effekte, aber weitere Erhöhungen der Flügelänge beeinflussen die thermoregulatorische Leistung nicht signifikant. Bei jeder Körpergröße gibt es eine Flügelänge, unterhalb derer signifikante thermoregulatorische Effekte einer Erhöhung der Flügelänge auftreten, und oberhalb derer signifikante aerodynamische Effekte einer Erhöhung der Flügelänge auftreten. Die relative Flügelänge, bei der dieser Übergang stattfindet, nimmt mit zunehmender Körpergröße ab. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es keine effektive Selektion für eine Erhöhung der Flügelänge bei flügellosen oder kurzflügeligen Insekten im Hinblick auf eine erhöhte aerodynamische Kapazität geben könnte. Unsere Ergebnisse sind mit der Hypothese vereinbar, dass Insektenflügel anfänglich eine thermoregulatorische Funktion erfüllten und nur bei größeren Flügelängen und/oder Körpergrößen für aerodynamische Funktionen verwendet wurden. Wir schlagen daher vor, dass die Thermoregulation der primäre adaptive Faktor in der frühen Evolution von Flügeln war, die sie für die nachfolgende Evolution des Fluges voradaptierten. Unsere Ergebnisse veranschaulichen einen evolutionären Mechanismus, bei dem eine rein isometrische Veränderung der Körpergröße eine qualitative Veränderung der Funktion einer gegebenen Struktur hervorrufen kann. Wir stellen eine Hypothese auf, bei der der Übergang von der thermoregulatorischen zur aerodynamischen Funktion für Flügel nur isometrische Veränderungen der Körpergröße beinhaltete, und argumentieren, dass Veränderungen der Körperform keine Voraussetzung für diese wesentliche evolutionäre Funktionsänderung waren.

@article{doi101111j155856461985tb00390x,
    author = "Kingsolver, Joel G und Koehl, M A R",
    title = "AERODYNAMIK, THERMOREGULATION UND DIE EVOLUTION INSEKTENFLÜGEL: DIFFERENZIELLE SKALIERUNG UND EVOLUTIONÄRE VERÄNDERUNG.",
    year = "1985",
    journal = "Evolution; internationales Journal der organischen Evolution",
    abstract = "Wir untersuchen mehrere aerodynamische und thermoregulatorische Hypothesen über mögliche adaptive Faktoren in der Evolution von Flügeln aus kleinen Flügelansätzen bei Insekten. Unter Verwendung physikalischer Modelle paläozoischer Insekten in einem Windkanal untersuchen wir die potenziellen Effekte von Flügeln zur Erhöhung der Gleitstrecke, zur Erhöhung der Ausbreitungsstrecke während des Fallschirmspringens, zur Verbesserung der Fluglagekontrolle oder Stabilität sowie zur Erhöhung der Körpertemperaturen während der Thermoregulation. Die Effekte von Körpergröße und -form, Flügelänge, Anzahl und Adern sowie meteorologischen Bedingungen werden berücksichtigt. Hypothesen, die sowohl mit festen als auch mit beweglichen Flügelgelenkungen übereinstimmen, werden untersucht. Kurze Flügel haben im Vergleich zu flügellosen Modellen keine signifikanten Auswirkungen auf die aerodynamischen Eigenschaften, während große Flügel signifikante Effekte haben. Im Gegensatz dazu haben kurze Flügel im Vergleich zu flügellosen Modellen große thermoregulatorische Effekte, aber weitere Erhöhungen der Flügelänge beeinflussen die thermoregulatorische Leistung nicht signifikant. Bei jeder Körpergröße gibt es eine Flügelänge, unterhalb derer signifikante thermoregulatorische Effekte einer Erhöhung der Flügelänge auftreten, und oberhalb derer signifikante aerodynamische Effekte einer Erhöhung der Flügelänge auftreten. Die relative Flügelänge, bei der dieser Übergang stattfindet, nimmt mit zunehmender Körpergröße ab. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es keine effektive Selektion für eine Erhöhung der Flügelänge bei flügellosen oder kurzflügeligen Insekten im Hinblick auf eine erhöhte aerodynamische Kapazität geben könnte. Unsere Ergebnisse sind mit der Hypothese vereinbar, dass Insektenflügel anfänglich eine thermoregulatorische Funktion erfüllten und nur bei größeren Flügelängen und/oder Körpergrößen für aerodynamische Funktionen verwendet wurden. Wir schlagen daher vor, dass die Thermoregulation der primäre adaptive Faktor in der frühen Evolution von Flügeln war, die sie für die nachfolgende Evolution des Fluges voradaptierten. Unsere Ergebnisse veranschaulichen einen evolutionären Mechanismus, bei dem eine rein isometrische Veränderung der Körpergröße eine qualitative Veränderung der Funktion einer gegebenen Struktur hervorrufen kann. Wir stellen eine Hypothese auf, bei der der Übergang von der thermoregulatorischen zur aerodynamischen Funktion für Flügel nur isometrische Veränderungen der Körpergröße beinhaltete, und argumentieren, dass Veränderungen der Körperform keine Voraussetzung für diese wesentliche evolutionäre Funktionsänderung waren.",
    url = "https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28561970/",
    doi = "10.1111/j.1558-5646.1985.tb00390.x",
    pmid = "28561970"
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@article{doi101126science2304724428,
    author = "Lewin, R",
    title = "On the Origin of Insect Wings: Experimentelle Daten zur Thermoregulation und Aerodynamik liefern den ersten quantitativen Test einer populären Hypothese für die Evolution des Fluges bei Insekten.",
    year = "1985",
    journal = "Science (New York, N.Y.)",
    url = "https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17816070/",
    doi = "10.1126/science.230.4724.428",
    pmid = "17816070"
}

@article{kingslover1985aerodynamics,
    author = "Kingslover, Joel G. und Koehl, M. A. R.",
    title = "Aerodynamik, Thermoregulation und die Evolution von Insektenflügeln: Differenzielle Skalierung und evolutionäre Veränderung",
    year = "1985",
    journal = "Evolution",
    url = "https://doi.org/10.2307/2408648",
    doi = "10.2307/2408648",
    number = "3",
    pages = "488",
    volume = "39"
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@article{kingsolver1985aerodynamics,
    author = "Kingsolver, Joel G. und Koehl, M. A. R.",
    title = "AERODYNAMIK, THERMOREGULATION UND DIE EVOLUTION INSEKTENFLÜGEL: DIFFERENTIELLE SKALIERUNG UND EVOLUTIONÄRE VERÄNDERUNG",
    year = "1985",
    journal = "Evolution",
    url = "https://doi.org/10.1111/j.1558-5646.1985.tb00390.x",
    doi = "10.1111/j.1558-5646.1985.tb00390.x",
    number = "3",
    pages = "488-504",
    volume = "39"
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@misc{kingsolver1985aerodynamics1,
    author = "Kingsolver, J. G. und Koehl, M. A. R",
    title = "Aerodynamik, Thermoregulation und die Evolution von Insektenflügeln",
    year = "1985",
    howpublished = "Differential scaling and evolutionary changes: Evolution, v. 39, p. 488-504",
    note = "talkorigins\_source = {true}; raw\_reference = {Kingsolver, J. G., und Koehl, M. A. R., 1985, Aerodynamik, Thermoregulation und die Evolution von Insektenflügeln: Differential scaling and evolutionary changes: Evolution, v. 39, p. 488-504.}"
}

@article{jockusch1997insect,
    author = "Jockusch, Elizabeth L. und Nagy, Lisa M.",
    title = "Insect evolution: How did insect wings originate?",
    year = "1997",
    journal = "Current Biology",
    url = "https://doi.org/10.1016/s0960-9822(06)00174-6",
    doi = "10.1016/s0960-9822(06)00174-6",
    number = "6",
    pages = "R358-R361",
    volume = "7"
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@article{wang2008insect,
    author = "Wang, J.",
    title = "Insektenflug: Aerodynamik, Energetik und Evolution",
    year = "2008",
    journal = "Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular \& Integrative Physiology",
    url = "https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2008.04.074",
    doi = "10.1016/j.cbpa.2008.04.074",
    number = "3",
    pages = "S65",
    volume = "150"
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@article{ross2017insect,
    author = "Ross, Andrew",
    title = "Insect Evolution: The Origin of Wings",
    year = "2017",
    journal = "Current Biology",
    url = "https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.12.014",
    doi = "10.1016/j.cub.2016.12.014",
    number = "3",
    pages = "R113-R115",
    volume = "27"
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Eine wirbelartige Kraft, die fliegende Insekten schweben lässt, kann teilweise durch ein Drehmoment stabilisiert werden, das aus Geschwindigkeitsgradienten resultiert.

@article{lim2019new,
    author = "Lim, Alane",
    title = "New mechanism reveals the aerodynamics of flapping insect wings",
    year = "2019",
    journal = "Scilight",
    abstract = "A tornado-like force that keeps flying insects afloat may be partially stabilized by a torque arising from velocity gradients.",
    url = "https://doi.org/10.1063/1.5100741",
    doi = "10.1063/1.5100741",
    number = "17",
    volume = "2019"
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@article{bhat2022effect,
    author = "Bhat, Shantanu S. und Thompson, Mark C.",
    title = "Effect of leading-edge curvature on the aerodynamics of insect wings",
    year = "2022",
    journal = "International Journal of Heat and Fluid Flow",
    url = "https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2021.108898",
    doi = "10.1016/j.ijheatfluidflow.2021.108898",
    pages = "108898",
    volume = "93"
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Diese Studie untersucht den Einfluss der Flügelform auf die aerodynamische Leistung von Insektenflügeln durch die numerische Lösung der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen. Wir definieren die Flügelprofile mit einer Beta-Funktionsverteilung und verwenden eine Kinematik, die dem normalen Schwebeflug entspricht. Insbesondere verwenden wir drei Hauptparameter, um die Profilgeometrie zu beschreiben: Seitenverhältnis, Position des radialen Schwerpunkts und Versatz des Flügelwurzels. Die Kraftkoeffizienten, Strömungsstrukturen und aerodynamische Effizienz für verschiedene Flügelprofile bei einer Reynolds-Zahl von 100 werden bewertet. Es zeigt sich, dass der Flügel mit dem niedrigsten Seitenverhältnis von 1,5 die höchsten Spitzenwerte für Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten während der Schlagumkehr erzeugt, während Flügel mit höherem Seitenverhältnis höhere Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten während der mittleren Halbschlag-Translation erzeugen. Für die betrachteten Flügel wird festgestellt, dass die Ablösung des Vorderkantenwirbels bei einer Position liegt, die etwa 3,5–5 mittlere Chordlängen vom Flügeldrehzentrum entfernt ist, für alle untersuchten Seitenverhältnisse und Wurzelsätze. Folglich nimmt die Ablösungsfläche mit zunehmendem Seitenverhältnis und Wurzelsatz zu, was zu reduzierten aerodynamischen Koeffizienten führt. Die Position des radialen Schwerpunkts beeinflusst die lokale Strömungsentwicklungsdauer, was zu einer früheren Bildung/Ablösung des Vorderkantenwirbels bei Flügeln mit einem kleineren radialen Schwerpunkt führt. Insgesamt wird die beste Leistung, wenn sowohl der durchschnittliche Auftriebskoeffizient als auch die Effizienz berücksichtigt werden, bei den mittleren Seitenverhältnissen von 4,5–6 gefunden; eine Erhöhung der Schwerpunktposition erhöht hauptsächlich die Effizienz; und eine Erhöhung des Wurzelsatzes führt zu einem verringerten durchschnittlichen Auftriebskoeffizienten, während sie für die meisten Seitenverhältnisse relativ geringe Variationen der aerodynamischen Effizienz zur Folge hat.

@article{li2022wing,
    author = "Li, Hao und Nabawy, Mostafa",
    title = "Wing Planform Effect on the Aerodynamics of Insect Wings",
    year = "2022",
    journal = "Insects",
    abstract = "Diese Studie untersucht den Einfluss der Flügelform auf die aerodynamische Leistung von Insektenflügeln durch die numerische Lösung der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen. Wir definieren die Flügelprofile mit einer Beta-Funktionsverteilung und verwenden eine Kinematik, die dem normalen Schwebeflug entspricht. Insbesondere verwenden wir drei Hauptparameter, um die Profilgeometrie zu beschreiben: Seitenverhältnis, Position des radialen Schwerpunkts und Versatz des Flügelwurzels. Die Kraftkoeffizienten, Strömungsstrukturen und aerodynamische Effizienz für verschiedene Flügelprofile bei einer Reynolds-Zahl von 100 werden bewertet. Es zeigt sich, dass der Flügel mit dem niedrigsten Seitenverhältnis von 1,5 die höchsten Spitzenwerte für Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten während der Schlagumkehr erzeugt, während Flügel mit höherem Seitenverhältnis höhere Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten während der mittleren Halbschlag-Translation erzeugen. Für die betrachteten Flügel wird festgestellt, dass die Ablösung des Vorderkantenwirbels bei einer Position liegt, die etwa 3,5–5 mittlere Chordlängen vom Flügeldrehzentrum entfernt ist, für alle untersuchten Seitenverhältnisse und Wurzelsätze. Folglich nimmt die Ablösungsfläche mit zunehmendem Seitenverhältnis und Wurzelsatz zu, was zu reduzierten aerodynamischen Koeffizienten führt. Die Position des radialen Schwerpunkts beeinflusst die lokale Strömungsentwicklungsdauer, was zu einer früheren Bildung/Ablösung des Vorderkantenwirbels bei Flügeln mit einem kleineren radialen Schwerpunkt führt. Insgesamt wird die beste Leistung, wenn sowohl der durchschnittliche Auftriebskoeffizient als auch die Effizienz berücksichtigt werden, bei den mittleren Seitenverhältnissen von 4,5–6 gefunden; eine Erhöhung der Schwerpunktposition erhöht hauptsächlich die Effizienz; und eine Erhöhung des Wurzelsatzes führt zu einem verringerten durchschnittlichen Auftriebskoeffizienten, während sie für die meisten Seitenverhältnisse relativ geringe Variationen der aerodynamischen Effizienz zur Folge hat.",
    url = "https://doi.org/10.3390/insects13050459",
    doi = "10.3390/insects13050459",
    number = "5",
    pages = "459",
    volume = "13"
}