Voor bepaalde vogelsoorten is het doodnormaal om in volle vaart het water in te duiken op jacht naar vis. Andersom is er maar één familie van vissen die regelmatig het luchtruim kiest: de vliegende vissen. Een vliegende vis kan niet actief vliegen als een vogel, maar dankzij zijn grote vinnen wel meer dan veertig seconden lang zweefvliegen. Daarbij kan de vis een slordige vierhonderd meter overbruggen en indrukwekkende snelheden bereiken van wel zeventig kilometer per uur.

Haecheon Choi, een werktuigbouwkundige van de Seoul National University, raakte gefascineerd door vliegende vissen toen hij erover voorlas aan zijn kinderen. Tot Choi’s verbazing was er echter nog nooit aerodynamisch onderzoek gedaan naar de vliegeigenschappen van deze zeevissen. Samen met zijn collega Hyungmin Park deed Choi ‘s werelds eerste windtunnelmetingen met een aantal opgezette vliegende vissen. De resultaten van hun onderzoek staan deze week beschreven in de Journal of Experimental Biology.

Vis vol PUR-schuim
Vliegende vissen leven dicht onder het wateroppervlak. Ze hebben zich evolutionair aangepast om goed te kunnen zwemmen én zweefvliegen; vermoedelijk om aan roofvissen te ontsnappen of om sneller vooruit te komen. Ze zwemmen dan heel hard met hun grote vinnen langs hun lichaam gevouwen. Zodra ze onder een hoek het water uitkomen, spreiden ze hun vinnen en zetten zich met hun staart af op het wateroppervlak. Afhankelijk van de vliegende vissensoort zijn vooral de borstvinnen of zowel de borst- als de bekkenvinnen heel groot. Sommige soorten hebben daarnaast een afgeplatte buik om in de lucht nog meer aerodynamische lift mee te genereren.

Voor het windtunnelonderzoek ving Hyungmin Park persoonlijk veertig vliegende vissen in de Japanse Zee. Van die veertig werden er vijf van ongeveer dezelfde lengte (twintig centimeter) geselecteerd. Na te zijn gewogen en opgemeten, werden de vissen opgezet door ze vol te spuiten met PUR-schuim. Hun vinnen werden in verschillende standen gezet: met alleen uitgevouwen borstvinnen; met uitgevouwen borst- en bekkenvinnen; en met de vinnen langs het lichaam gevouwen.

Vis in de windtunnel
De opgezette vissen werden op een stokje in de windtunnel gezet. Net als bij metingen aan een nieuw vliegtuig- of automodel, lieten de twee onderzoekers rook langs de vissen stromen om de luchtstroom te visualiseren. ‘De meest interessante uitkomst van ons onderzoek is dat de zweefvliegprestaties van de vliegende vis vergelijkbaar zijn met die van bepaalde vogels, zoals een havik, stormvogel of de Carolina-eend. En de vinnen van vliegende vissen presteren zelfs beter dan de meeste insectenvleugels’, zo laat Choi weten.

De aerodynamische lift van de uitgevouwen vinnen was het grootste onder een hoek van tussen de dertig en de vijfendertig graden. Dat is ook de hoek waaronder een vliegende vis uit het water komt als hij opstijgt. De hoekverdraaiing van de vin ten opzichte van het lichaam komt overeen met de vleugelhoek van een modern vliegtuig.

De onderzoekers zagen dat de luchtstroming over de rug van de vis versnelt door de tandemopstelling van de uitgevouwen grote borstvinnen en de kleinere bekkenvinnen. Dit effect vergroot de aerodynamische lift ten opzichte van de luchtweerstand. Zogturbulentie achter de uiteinden van de vinnen is – net als bij de vleugeltippen van een vliegtuig – de belangrijkste oorzaak van luchtweerstand bij een vliegende vis.

Grondeffect
Vliegende vissen maken volgens de onderzoekers optimaal gebruik van het zogenaamde aerodynamische grondeffect door dicht over het wateroppervlak te scheren. Het grondeffect treedt ook op bij vliegtuigen wanneer een toestel dicht boven de grond vliegt. Dan hoopt zich lucht op onder de vleugels waardoor de aerodynamische lift toeneemt en de luchtweerstand vermindert. Bij gewone vliegtuigen is dit een nadeel omdat het de landing bemoeilijkt.

Tijdens de Koude Oorlog werd het grondeffect door de Russen juist praktisch toegepast op de Ekranoplan luchtvaartuigen, die laag boven de grond of zee vlogen op een luchtkussen onder de vleugels. Het hoogtepunt van die ontwikkeling was het zogenaamde Kaspische Zeemonster. Deze 98 meter lange Ekranoplan woog met volledige lading 540 ton en scheerde met een snelheid van 550 kilometer per uur over het wateroppervlak – buiten bereik van zowel sonar als radar.

Vliegende vissen benutten het grondeffect vooral om zo ver mogelijk te zweven, terwijl ze langzaam snelheid kwijtraken. Park en Choi onderzoeken momenteel wat voor rol de oppervlaktestructuur van de vinnen daarbij speelt. Deze kennis willen ze benutten bij de ontwikkeling van kleine vliegende robotinsecten.

Paul Schilperoord

Hyungmin Park en Haecheon Choi, ‘Aerodynamic characteristics of flying fish in gliding flight’, in Journal of Experimental Biology, 10 september 2010.