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Vorder- und Hinterflügel sind zwar individuell am Thorax befestigt, bewegen sich bei den meisten Schmetterlingen jedoch synchron.

Wie die meisten Insekten besitzen auch Schmetterlinge nicht nur 6 Beine, sondern auch 4 Flügel – zwei Vorder- und zwei Hinterflügel. Diese Flügel bestehen aus einer dünnen Doppelschicht aus Chitin (Flügelhaut) und sind direkt mit dem Außenskelet der Brust verbunden. Der Flugmechanismus ist der Gleiche wie bei anderen Insekten. Die Größe der Flügel und die geringe Anzahl der Flügelschläge (pro Sekunde) sind jedoch ausschlaggebend für den charakteristischen unberechenbaren Zickzack-Flug der Schmetterlinge.

Fliegen ohne Flugmuskeln

Die Flügel von Insekten werden – anders als bei Vögeln, welche kräftige Flugmuskeln besitzen - nur indirekt von der Brustmuskulatur des Insektes gesteuert. Werden die Muskeln angespannt, welche Bauch und Rücken verbinden, zieht der Brustkorb (Thorax) sich vertikal zusammen - die Flügel bewegen sich nach oben. Zieht sich die Muskulatur parallel zum Thorax zusammen, welche die Brust von vorne nach hinten durchzieht, nimmt der Thorax wieder seine Anfangsform an, und die Flügel bewegen sich nach unten.

Motion of Insectwing.gif

Schema eines dorsoventralen Querschnittes durch ein Brustsegment mit Flügeln:
Flügel
b  Flügelgelenke
c  Muskulatur zwischen Bauch und Rücken (Dorsoventralmuskeln)
d  Muskulatur parallel zum Thorax (Longitudinalmuskeln)

©Wikipedia

Vorder- und Hinterflügel sind zwar individuell am Thorax befestigt, bewegen sich bei den meisten Schmetterlingen jedoch synchron.

Unberechenbarer Flug hängt Verfolger ab

Das Herunterklappen der Flügel erzeugt einen Unterdruck über den Flügeln und einen Überdruck unter den Flügeln, welcher dem Schmetterling Auftrieb verschafft. Die Hinterflügel helfen dem Tier sich zu drehen. Des Weiteren erlauben Unterschiede in der Verhärtung der Flügelhaut (oft in Linienform) aerodynamisch wichtige Verformungen während des Fluges. So bewegen sich die Flügel bei ihrer Auf- und Abwärtsbewegung auch gleichzeitig von vorne nach hinten, so dass der Vorderrand der Flügel eine „8“ beschreibt.

Obwohl die Flügel der Schmetterlinge einen größeren Luftwiderstand haben als die Flügel von Vögeln und somit eigentlich ineffizienter sind – Schmetterlingsflügel sind proportional gesehen viel Größer als die der Vögel -, erlaubt ihr unberechenbarer Zickzack-Flug es ihnen, Raubtieren (wie Vögeln) zu entkommen.

Wissenschaftler haben außerdem herausgefunden, dass die Positionierung des Körpers zum Boden eine wichtige Rolle bei der Richtungsbestimmung des Fluges spielt. So positionieren Schmetterlinge ihren Körper mehr oder weniger senkrecht zum Boden, wenn sie nach oben fliegen. Zusätzlich wippt ihr Körper im Rhythmus der Flügel nach vorne und nach hinten.  Möchten sie in horizontaler Richtung fliegen, dann senken sie den Körper etwas. Er verbleibt aber in Schrägstellung zur Horizontalen. Auch nun wippt ihr Körper zwischen einer noch schrägeren und einer weniger schrägen Position hin und her.

Nicht die Schnellsten unter den Insekten

Dieser Flugmechanismus erlaubt es den Schmetterlingen in der Regel 10-15 Flügelschläge in der Sekunde zu fertigen. Zum Vergleich: eine Biene schlägt ihre Flügel 240 Mal in der Sekunde. Es gibt aber auch „Turbo-Schmetterlinge“. Das Taubenschwänzchen fliegt z.B. mit bis zu 80 Flügelschlägen in der Sekunde und schafft so eine Distanz von 80km in einer Stunde. Manche Schmetterlingsarten sind auch in der Lage Aufwinde zu nutzen, um sich Sekundenlang, ohne anstrengendes Flügelschlagen gleiten zu lassen. Migrierende Schmetterlinge können bis zu 100km in der Stunde fliegen und dies oft auf Höhen von mehreren hundert Metern. Diese hohen Geschwindigkeiten erlangen sie jedoch nicht nur durch ihren Flügelschlag. Sie lassen sich von den schnellen Winden in diesen Höhen mittragen. Jedes Jahr fliegen Millionen Amerikanischer Monarchfalter von Canada bis nach Mexiko um dort zu überwintern und legen so in 8-10 Wochen bis zu 3600km zurück.

Unter folgenden Links kannst du dir den Flug eines Schmetterlings in Zeitlupe ansehen:

Wie fliegt der Researchers‘ Days Schmetterling?

Auf den Researchers' Days hat science.lu "künstliche Schmetterlinge" verteilt. 

Der Flug deines Researchers‘ Days Schmetterlings hat nicht viel gemeinsam mit dem eines richtigen Schmetterlings!

Bei deinem Papier-Schmetterling drücken die rotierenden Vorder- und Hinterflügel die Luft seitlich und nach hinten von sich weg, ähnlich wie Propeller. Dadurch erfährt der Schmetterling umgedrehte seitliche und nach vorne gerichtete Kräfte, ganz nach dem Prinzip des Rückstoßantriebs: Flügel drückt Luft nach hinten, Luft drückt Flügel nach vorne (3. Newtonsche Axiom).

Da einerseits die Kräfte auf die Flügel ihre Richtung mit aufgrund der Drehung der Flügel dauernd verändern, anderseits die Vorder- und Hinterflügel in umgekehrte Richtungen drehen, ist die Strömung der Luft in unmittelbarer Nähe der Flügel sehr unregelmäßig und turbulent, wodurch die weichen Papierflügel selbst flatternde Drehbewegungen ausführen, kommt es zu dem witzigen flatternden „Überraschung-Zickzack-Flug“.

Möchtest du deinen Schmetterling noch einmal fliegen lassen? Dann drehe die Vorderflügel ungefähr 50 Mal im Kreis, so dass sich das elastische Band in der Mitte aufrollt. Klemme den aufgerollten Schmetterling jetzt wieder in die Karte oder in ein Buch. Öffne die Karte oder das Buch, um den Schmetterling fliegen zu lassen.

Autor: Michelle Schaltz (FNR), André Mousset
 

Infobox

Aufbau der Flügel

Die Flügel sind Erweiterungen des Außenskeletts (Exoskelett), einer Chitin-Schicht (Kutikula) die den Körper der Insekten umgibt. Das Außenskelet schütz die inneren Organe und gibt dem Insekt seine Form – Insekten besitzen nämlich kein Skelet aus Knochen wie wir. Die Flügel eines Schmetterlings bestehen also aus einer dünnen Doppelschicht des Außenskelettes (Flügelhaut). Diese Flügelhaut ist mit feinen Äderchen durchzogen und an einigen Stellen mehr oder weniger verhärtet. Die Unterschiede in der Verhärtung der Flügelhaut (oft in Linienform) erlauben aerodynamisch wichtige Verformungen während des Fluges sowie die Faltung der Flügel bei Ruhestellung. Die Äderchen kann man bei manchen Schmetterlingsarten mit dem bloßen Auge als schwarze Streifen erkennen. Nachdem der Schmetterling geschlüpft ist, wird Körperflüßigkeit in diese Äderchen gepumpt damit die Flügel sich entfalten. Dann härten die Äderchen aus und bilden Verstrebungen welche Drehungen und Verzerrungen nur in beschränktem Maße und in bestimmten Richtungen und Winkeln erlauben. Des Weiteren bilden sie, zusammen mit dem Außenskelet des Thoraxes, ein Gelenksystem am Flügelansatz welches die Beweglichkeit beim Flug garantiert und die Ruhestellung der Flügel ermöglicht.

Schmetterlingsstaub

Fasst man die Flügel eines Schmetterlings an, bleibt meist „Schmetterlingsstaub“ am Finger haften. Es handelt sich hierbei um kleine Schuppen (0,1 Millimeter lang und 0,05 Millimeter breit), welche – ähnlich wie Dachziegeln – die Ober- und Unterseite der Flügel bedecken und nur mit einem kleinen Stäbchen (Anker) an der Flügelhaut befestigt sind. Diese Schuppen gibt es in unterschiedlichen Formen. Sie bestehen aus Chitin und besitzen unterschiedliche Pigmente und (Oberflächen)-Strukturen. Die Pigmente (eine Farbe pro Schuppe) verleihen dem Schmetterlingsflügel Farbe und die unterschiedlichen Strukturen der Schuppen führen zu dem schillernden Metallglanz mancher Schmetterlinge.

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