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Warum schwimmen Haie und Delfine so schnell ?

von Dr. Bodo Ungerechts

Der trainierte Schwimmer benötigt für die 200 m Strecke rd. 100 s und erreicht eine Geschwindigkeit von 1,89 m/s, der Flossenschwimmer spart 10 s über ­diese Distanz und schafft 2,35 m/s, ­während der Delfin 14?–?15 s für 200 m benötigt, denn er schafft locker 10?–?15?m/s. Damit ist der Delfin rund 7 mal schneller als der Mensch. Unter der Delfinhaut befindet sich zwar eine 3-fach ­größere Muskelmasse, die aber pro kg nicht mehr Leistung bereitstellen als von einem trainierten Athleten bekannt ist. Die Delfine geben also nicht soviel Leistung ab, um damit 7 mal schneller als ein Mensch zu schwimmen. Auch ein kaltblütiger Haifisch, der auch 10 m/s schafft, verfügt nicht über eine solche Leistungsabgabe. Die hohen Geschwindigkeiten sind aber existent. Daher spricht man von einem Paradoxon, denn einerseits kann sich jeder von der Schnelligkeit überzeugen aber andererseits werden noch schlüssige ­Erklärungen ­gesucht.

Delfine und einige Haie gehören zu den schnellsten Schwimmern. Haie sind es schon seit rd. 400 Mio. Jahren, während Delfine erst vor rd. 40 Mio.. Jahren den Bewegungsraum Wasser zu ihrem ­Lebensraum machten. „Was“, so ist man versucht zu fragen „haben sie dabei den Haien abgeschaut, um so schnell schwimmen zu können?“ Wir Menschen fragen uns, was sind die Bedingungen zum schnellen Schwimmen und daher studieren wir diese Lebewesen.

Die hier vorgestellte Antwort berücksichtigt, dass diesen unterschiedlichen Tieren Körperform und Bewegungsform gemeinsam ist. Der Erklärungs­ansatz, nach dem die Strukturen der Körperoberfläche als Ursache für schnelles Schwimmen gelten, kann ­angesichts der vielen evolutionären Strukturen nicht wirklich überzeugen (man denke auch an schnelle Thunfische, Pinguine und Kalifornische Seelöwen). Die Körperoberflächenstrukturen sind deutlich verschieden, die des Haies ist mit Zähnchen übersäht, während die der Delfins an kostbaren Samt erinnert.
Die smarte biologische Lösung bezieht sich einerseits auf die spindel­förmige Körperform mit dem augen­fällig sehr engen Schwanzstiel und der halbmondförmigen Schwanzflosse, die bei beiden Arten gleichermaßen ausgeprägt ist und andererseits auf die „tuniforme“ Bewegungsweise von Schwanz und Flosse. Diese Bewegungsweise bedeutet, dass a) eine Körperwelle kaum auszumachen ist, also nicht wie es beim Aal der Fall ist und b) die Schwanz­flosse gegenüber dem Schwanzstiel sehr beweglich ist. „Tuniform“ ist ein ­zentraler Aspekt für das Erreichen von hohen Geschwindigkeiten.

Körperbewegung verdrängt Wassermassen und erzeugt eine Strömung – wie bei den vier Delfinen zu sehen – (Abb. 1). Diese Strömung konzentriert sich auf den Nachlauf und erzeugt hier Formen von drehenden Wassermassen, Vortex genannt. Durch das Sichtbarmachen der Strömung ist das Besondere der Interaktion zu beobachten (und zu berechnen).
Die hier entscheidende Vortexform erinnert an rotierende Rettungsringe (Abb. 2) mit großem Lumen. Die halbmondförmige Flossenform unterstützt den Aufbau der Wulst und die Größe des Lumens. Mit jeder Umkehr der Kantenbewegung wird ein Ring ­abgeschleudert. In das Lumen strömt die verzögerte Grenzschichtströmung. Durch die Rotation der Wulste wird das Wasser im Lumen beschleunigt und eine Jet-Strömung entsteht (Abb. 3). Werden mehrere Bewegungszyklen von den Tieren hintereinander ausgeführt, verbinden sich die Ringe und verstärken so die Jet-Strömung (Abb. 4).
„Smarte“ Bewegungslösung bedeutet ferner, dass Tiere mit tuniformer Bewegungsweise simultan weniger Widerstand und zusätzlichen Schub erfahren. Durch passende Interaktion zwischen Körper und Wassermassen wird die Grenzschichtströmung nachbeschleunigt und zusätzlich eine Jet-Strömung erzeugt.
Welcher Nutzen kann nun aus der Forschung mit schnellen Wirbeltiere für das menschliche Schwimmen gezogen werden?

Eine Folge ist dem interessierten Zuschauer von Schwimmwettkämpfen ­sicherlich schon aufgefallen. Heutzu­tage wird das Brustschwimmen, auch gegen die Widerstände von Traditionalisten, mit deutlicher Körperwelle, also starker Rückwärtsrotation des Rumpfes und Kopf teilweise unter Wasser (Abb. 5). Nach Starts und Wenden werden die folgenden 15?m mit Schwänzelaktionen der Beine und Füße zurückgelegt. Beide Beispiele basieren auf den neuen Kenntnissen aus der Strömungsforschung mit Tieren. Wie erwartet, konnten die Wettkampfzeiten daraufhin deutlich verbessert werden.
Neben diesen naheliegenden Übertragungen auf die Bewegungen des Körpers verspricht die Entdeckung der Vortexring-basierten Schubver­besserung weitere Anpassungsmöglichkeiten der menschlichen Schwimm­aktionen.
Bei der menschlichen, selbst erzeugten Fortbewegung im aquatischen Medium sind die Hände hauptsächliche Antriebs­organe.

Eigene Forschungen in einem Strömungskanal zeigen, dass Vortexringstrukturen durch entsprechende Handaktionen entstehen, die zu einer Jet-Strömung führen. Die 2-dim Abbildung (Abb. 5) zeigt, dass sich hinter der Hand (5 schwarze Kreise) Wassermassen gegen den Uhrzeigersinn drehen (+?Markierung) und sich in einigem Abstand Wassermassen im Uhrzeigersinn drehen (–?Markierung), zwischen den gegensinnig rotierenden Bereichen wird eine ­
Jet-Strömung erzeugt (schwarze Pfeile). Dadurch ist nach jetzigem Kenntnisstand pro Zyklus ein um 30?% erhöhter Schub möglich, also mehr Weg pro ­Zyklus zurückgelegt wird.
Eigene Erfahrungen mit Top-Schwimmern zur Bewegungssteuerung zeigen, dass unter Nutzung eines Strömungs­kanals (Abb. 6) gelernt werden kann, Vortexringstrukturen zu erzeugen und sie so zu orientieren, dass der Schwimmer in Reaktion pro Zyklus mehr Weg zurücklegt.
Wer bei (unverändertem Trainings­zustand) pro Zyklus mehr Weg zurücklegt, kann eine festgesetzte Strecke mit weniger Zyklen absolvieren. Weniger Zyklen verringern die körperliche Be­anspruchung und nutzen die Energie besser aus. Die Verbesserung der Bewegungsqualität führt somit zu weniger Energievergeudung. Die „Ersparnisse“ kommen der Impulserzeugung zugute und folglich einer höheren mittleren Geschwindigkeit.
Die Schwimmgeschwindigkeit wird weniger durch die Ausdauerfähigkeit bestimmt, als vielfach, auch von Experten, behauptet wird. Mittlerweile weiß man, die Bewegungsfertigkeiten sind ausschlaggebend, wie viel der antrainierten Leistung auf das Wasser übertragen werden kann, wie Vergleiche von Schwimmern und Triathleten zeigen.
Auf dieser Basis können vergleichend Strategien entwickelt werden, die dazu führen dass – bei nahezu unverändertem Trainingszustand – dass mehr Distanz pro Zyklus und folglich Schwimm­strecken mit höherer mittlerer Schwimm­geschwindigkeit zurückgelegt werden.