Mekanisme penerbangan serangga, burung, belalang dan kalelawar.

Pesawat sebagai alat transportasi udara merupakan sebuah penemuan manusia yang terinspirasi dari mekanisme penerbangan pada beberapa hewan. Sebagai contoh, penemuan sebuah pesawat tanpa awak dalam ukuran kecil yang diberi nama ARA Nighthawk merupakan sebuah penemuan yang terinspirasi dari kelelawar dan lalat. Pesawat tanpa awak ini mengandalkan kamera mini yang terintegrasi di tubuh pesawat dan ditanam 2 antena sonar berukuran 300 gram dengan kemampuan memancarkan gelombang sonar yang memungkinkan pesawat ini bergerak otomatis menghindari penghalang di depannya. Artikel ini akan memberikan gambaran sederhana dari mekanisme penerbangan serangga, burung, belalang dan kalelawar.

1. Penerbangan Serangga

Ada berbagai mekanisme aerodinamika serangga, tergantung pada spesiesnya. Pada dasarnya mekanisme ini dapat dibagi dua, yaitu penerbangan tidak tetap dan penerbangan setengah tetap (quasi steady). Penerbangan setengah tetap ini disebut juga terbang mengambang, dimana serangga tetap berada di satu posisi sambil terus mengepakkan sayapnya.

Kinerja aerodinamika serangga sendiri merupakan kombinasi dari tiga mekanisme interaktif : penghentian terhambat (delayed stall), sirkulasi rotasional dan penangkapan gelombang (wake capture). Penghentian terhambat berfungsi saat berada pada tahap translasi dari kepakan, ketika sayap menyapu udara dengan sudut serang besar. Sebaliknya, sirkulasi rotasional dan penangkapan gelombang membangkitkan gaya aerodinamika ketika pembalikan kepakan, ketika berputar dengan cepat dan berubah arah. Kedua mekanisme terakhir ini bersifat rotasional dan selain menjaga serangga tetap mengambang di udara, juga memungkinkan serangga memodulasi arah dan besar gaya penerbangan ketika melakukan maneuver cepat.

Mekanisme rotasional juga paling penting saat terbang mengambang. Mekanisme rotasional bertopang pada shedding vorteks terkonsentrasi dari ujung depan saat rotasi, dengan penempelan vortisitas tersebut sebagai gelembung pemisah ujung depan saat setengah kepakan.

Jika hanya ada mekanisme pertama, serangga sama sekali tidak mampu terbang. Saat mengepakkan sayap, sayapnya menghasilkan lebih banyak angkatan daripada selama gerakan tetap pada kecepatan dan sudut serang yang sama.

Pemotretan serangga yang terbang bebas dengan 5000 frame per detik berhasil menentukan gerakan sayap dan tubuhnya. Perubahan dalam bidang kepakan terhadap horizontal menunjukkan kontrol kinematik manuver yang analog dengan helikopter.

Variasi gerakan sayap bukan hanya berbeda pada tingkat spesies, tapi bahkan tingkat individu. Gerakan sayap tidak jauh berbeda dengan gerak harmonik sederhana namun menunjukkan kecenderungan umum pada percepatan dan perlambatan pada akhir kepakan sayap.

2. Penerbangan Kalelawar

Burung dan kelelawar mengevolusikan sayap secara independen dari kaki depannya (contoh evolusi konvergen). Walau begitu, sementara sayap mereka terlihat cukup berbeda, pemeriksaan tulang dibaliknya mengungkapkan kalau mereka homolog. Kaki depan janin burung memulai perkembangannya dari struktur yang sama dengan janin mamalia. Ketika burung berkembang, kaki depan semakin lebih mirip sayap dan lebih tidak mirip kaki. Banyak tulang kaki saling menyatu dan ada juga yang hilang. Sebaliknya, kelelawar mempertahankan semua tulang di tangannya, namun sangat memanjang. Kelompok vertebrata terbang lainnya, pterosaurus, memiliki modifikasi yang sama pada kaki depan tetrapoda dasar. Ketiga organisme ini, reptil, mamalia dan burung, sama-sama memiliki lengan atas dan bawah walaupun proporsinya berbeda. Walau begitu, tulang tangan yang mendukung permukaan sayap cukup berbeda. Pada pterosaurus, selaput sayap didukung oleh jari kelima saja. Bulu terbang utama burung dibangun di jari kedua, sementara pada kelelawar jari ke2, 3, 4 dan 5 semua mendukung selaput sayap.

3. Penerbangan Burung

Kecepatan terbang burung bukan hanya tergantung pada ukuran burung (massa dan beban sayap), namun juga kendala fungsional dan silsilah evolusi spesies. Perbedaan antara kecepatan burung kecil dan besar tidak terlalu besar, hal ini mungkin disebabkan kerugian yang berhubungan dengan kecepatan sangat lambat pada burung kecil dan kecepatan sangat tinggi pada burung besar. Sejarah evolusi spesies membantu menjelaskan variasi kecepatan terbang: burung pemangsa dan bangau memiliki kecepatan terbang rendah, secara rata-rata, sementara kecepatan burung penyanyi dan burung pantai sangat cepat.

Leluhur burung, seperti Archaeopteryx memiliki kemampuan terbang yang sangat kasar. Hal ini disebabkan oleh batang sentral bulu yang jauh lebih tipis sehingga dapat patah jika terkena angin keras atau gaya angkat ketika terbang.

Mekanisme terbang burung merupakan konsekuensi dari perubahan gradual (evolusi lambat dan panjang) dari bentuk dan gerakan sayap. Burung migrasi dapat terbang sangat jauh melintasi samudera karena rendahnya konsumsi energinya, bentuk tubuh yang aerodinamis sehingga meminimalisir hambatan udara dan kecepatan terbang yang tinggi. Bar tailed godwit merupakan burung yang paling tahan lama dalam terbang, melintasi samudera selama delapan hari tanpa istirahat, termasuk tidur.

Selama terbang, bagian otak burung yang membantu mengintegrasikan sinyal keseimbangan dan visual adalah flocculus. Flocculus merupakan bagian kecil di serebelum yang memungkinkan burung berfokus pada objek yang bergerak dalam tiga dimensi ketika terbang. Visual yang fokus pada burung membuatnya rentan menabrak sesuatu dari arah yang tidak dilihatnya. Kasus dimana burung menabrak kaca atau dinding merupakan bukti nyata kelemahan sistem pengendali ini.

Burung purba secara aktif mendorong tubuhnya di udara untuk dapat terbang sementara burung masa kini telah mengevolusikan susunan tulang sayap yang lebih baik sehingga dapat terbang melayang dalam waktu lama.

4. Penerbangan Belalang

Mekanisme terbang belalang termasuk mudah dianalisa dan telah dijelaskan sejak tahun 1956 oleh Weis-Fogh. Sistem kontrol penerbangan belalang adalah sistem umpan balik atau loop tertutup. Pada ambang umpan balik paling kasar, ia dapat dipandang sebagai stimulus penguat positif.

Penerbangan diawali biasanya dengan sebuah lompatan. Hal ini bukan hanya menghasilkan pelepasan inhibisi dari proprioreseptor kaki namun juga menyebabkan arus udara di atas rambut kepala, yang memicu sistem penerbangan.

Penerbangan juga dipengaruhi oleh kepadatan populasi. Dalam populasi rendah, gerakan terbang didominasi individu baik siang maupun malam. Pada kepadatan tingi, perilaku terbang sering berkerumun dan dibuat secara optimal untuk penerbangan panjang dengan energi sekecil mungkin.

Penerbangan belalang dilakukan pada siang maupun malam hari. Pada malam hari, Cahaya hanya mungkin menarik belalang yang terbang rendah di atas tanah. Belalang terbang rendah untuk jarak dekat, sementara terbang tinggi untuk jarak yang lebih panjang.

Perbedaan Mekanisme Terbang Burung, Serangga, Belalang dan Kelelawar

Karakteristik	Serangga	Burung	Belalang	Kelelawar
Gaya terbang	Terbang tetap dan quasi-tetap	Tergantung pada ukuran burung (massa dan beban sayap), namun juga kendala fungsional dan silsilah evolusi spesies	Biasanya diawali dengan lompatan yang menghasilkan pelepasan inhibisi dari proprioreseptor kaki namun juga menyebabkan arus udara di atas rambut kepala, yang memicu sistem penerbangan	Terbang tetap dan quasi-tetap
Mekanisme terbang	Penghentian terhambat (delayed stall), sirkulasi rotasional dan penangkapan gelombang (wake capture).	Mengepak dan melayang. Tergantung pada ukuran batang sentral bulu sayap.	Penghentian terhambat (delayed stall), sirkulasi rotasional dan penangkapan gelombang (wake capture).	Stealth
Gaya pendukung	Shedding vorteks	Tidak ada	Shedding vorteks	Tidak ada
Terbang diam	Tidak dapat	Dapat	Tidak dapat	Dapat
Kontrol analog	Umumnya seperti helikopter Helikopter	Integrasi sinyal visual dan keseimbangan, mirip pesawat tempur pada burung kecil dan pesawat udara pada burung besar	Sistem umpan balik atau loop tertutup	Pesawat tempur
Pola kepakan sayap	Harmonik sederhana, kecuali pada saat penghentian	Tidak beraturan	Harmonik sederhana, kecuali pada saat penghentian	Tidak beraturan
Pendukung sayap	Thoraks	Jari kedua	Thoraks	Jari ke 2, 3, 4 dan 5
Waktu Terbang	Siang atau malam	Siang atau malam	Siang atau malam	Malam

Referensi terkait :

Alerstam T, Rosén M, Bäckman J, Ericson PGP, Hellgren O (2007) Flight speeds among bird species: Allometric and phylogenetic effects. PLoS Biol 5(8): e197. doi:10.1371/journal.pbio.0050197.

Anders Hedenström. Extreme Endurance Migration: What Is the Limit to Non-Stop Flight? PLoS Biology, 2010; 8 (5): e1000362 DOI: 10.1371/journal.pbio.1000362

Campell N.A. and Reece J.B. (2001): Essential Biology. San Francisco: Benjamin Cummings

Chapman, R.F., Joem, A. Biology of Grasshoppers.

Ellington, C.P. 1995. Unsteady aerodynamics of insect flight. Symp Soc Exp Biol, 1995: 49:109-29

Ellington, C.P. The Aerodynamics of Hovering Insect Flight.

Ellington, C.P., van den Berg, C., Willmott, A.P., Thomas, L.R. 1996. Leading-edge vortices in insect flight. Nature 384, 626-630

Pringle, J.W.S. Insect Flight.

Ramamurti, R., Sandberg, W.C. 2002. A Three-dimensional computational study of the aerodynamic mechanisms of insect flight. The Journal of Experimental Biology 205, 1507-1518

Martin. G. Understanding bird collisions with man-made objects: a sensory ecology approach. IBIS, March 2011 DOI: 10.1111/j.1474-919X.2011.01117.x

R. L. Nudds, G. J. Dyke. Narrow Primary Feather Rachises in Confuciusornis and Archaeopteryx Suggest Poor Flight Ability. Science, 2010; 328 (5980): 887 DOI: 10.1126/science.1188895

University of Abertay Dundee (2011, January 3). Not so bird-brained: 3D X-rays piece together the evolution of flight from fossils. ScienceDaily. Retrieved April 10, 2011, from http://www.sciencedaily.com­ /releases/2011/01/110103110154.htm

Wilson, D.M. The Origin of the Flight-Motor Command in Grasshoppers. Dalam Reiss Neural Theory and Modeling

Yale University. (Jan. 11, 2001)New Fossil Found In Mongolia Provides Insight Into The Origin Of Living Birds And The Evolution Of Flight. ScienceDaily. Retrieved April 10, 2011

Dikutip dari http://www.faktailmiah.com