Suspension of a point-mass-loaded filament in non-uniform flows: The ballooning flight of spiders
| dc.contributor.advisor | Neubauer, Peter | |
| dc.contributor.advisor | Rechenberg, Ingo | |
| dc.contributor.advisor | Affeld, Klaus | |
| dc.contributor.author | Cho, Moonsung | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Neubauer, Peter | |
| dc.contributor.referee | Rechenberg, Ingo | |
| dc.contributor.referee | Kertzer, Ulrich | |
| dc.contributor.referee | Cruz Bournazou, Mariano Nicolas | |
| dc.date.accepted | 2019-11-25 | |
| dc.date.accessioned | 2020-05-14T08:56:29Z | |
| dc.date.available | 2020-05-14T08:56:29Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstract | Some spiders can disperse through the air using their fine silk filaments. This is a technique referred to as ‘ballooning’. Not only from an ecological point of view, but also from the perspective of physics, spiders’ ballooning is an interesting phenomenon, as it relates to the question of how a large particle can disperse long distances through a fluctuating fluid medium (in this case, the Earth’s atmosphere). Spiders’ buoyancy capabilities can be distinguished from those of other winged insects, as a spider was the only invertebrate to be caught at a height of 15,000 ft by early researchers. It is also known that some spiders aerially disperse over several hundreds of kilometres. However, due to the lack of quantitative data regarding spiders’ ballooning, the physical mechanisms of ballooning remain uncertain. Accordingly, this study resolves this uncertainty through the precise observation of spiders’ ballooning. Furthermore, the fluid dynamic characteristics of the ballooning spider are described through a simulation of the ballooning structure in various fluid flows. In the present study, the ballooning silks were first identified as aciniform gland silks, which are usually used by other species as wrapping silks. The amount of ballooning silks, which was previously unknown, was also quantified. Large spiders produce tens of nanoscale silks when they engage in ballooning behaviour. A crab spider 20-25 mg in weight spin 50-60 ballooning silks, the thickness and length of which are about 200 nm and 3.22 m respectively. These silks are sizeable enough to lift large spiders into the air even with light upward air currents. It is also suggested that the reason why spiders prefer low wind speeds (under 3 m/s) for their flight is due to their usage of updrafts, which are induced by coherent structures in the atmospheric boundary layer. In a turbulent boundary layer, these updrafts are highly correlated with a low-speed regime. Additionally, the 200 nm scale of the silk thickness is considered as the smallest scale that can efficiently produce a drag force in the air flow. The drag force on a silk decreases drastically as the thickness of the silk becomes smaller than 200 nm. This is because the rarefaction of the air molecules on the silk (the mean path length of the air molecules is 65 nm) builds a slip condition on the silk. From the perspective of physics, the drag anisotropy of a spider silk is highlighted as an important factor that enables its nonlinear suspension in the fluctuating atmosphere. Moreover, the phenomenon of becoming trapped by an eddy in turbulence is also observed by the simulation. The fibre structure (spider silk) helps a heavy particle (spider body) to remain in an atmospheric vortical structure for a long time. The spider’s ballooning silk, which has a filament-like shape (extremely slender and highly flexible), is also compared with the passive flight of a point-like structure such as a dandelion or thistle seed. While a point-like structure in homogeneous turbulence showed a same distribution to the both directions of slow and fast settling, the filament-like structure in homogeneous turbulence showed a biased distribution toward slow settling (or even rising) compared to the settling speed of the structure in the still medium. While the slow decent of a maple seed is allowed by transferring the initial gravitational potential energy to its kinetic energy, the slow sedimentation of a ballooning spider originates from the turbulence by interacting with the filament. Therefore, a point mass attached to a filament-like structure can be considered as an energy-extracting structure from the turbulent flow. As a point mass-attached filament shows a nonlinear character in non-uniform flows, the dynamics of a spiders’ ballooning could be interesting for the field of particle sedimentation. In addition, when considering the fact that spiders are often the first migrants to new-born volcanic islands, as well as the adaptability of the flexible filament and robustness of its passive flight dynamics in turbulent conditions, the passive flight mechanism used by spiders could be adapted by humans for the exploration of unknown new environments, such as the investigation of hazardous weather conditions found in hurricanes or typhoons, or even of extra-terrestrial atmospheres such as those of Saturn or Jupiter. | en |
| dc.description.abstract | Einige Spinnen können sich an feinen Spinnenseiden durch die Luft verbreiten. Dieses Phänomenon heißt auf Englisch "Ballooning" bzw. auf Deutsch Fadensegelflug. Der Fadensegelflug der Spinnen ist nicht nur aus ökologischer sondern auch aus physikalischer Sicht ein interessantes Phänomen, das sich mit der Frage auseinandersetzt, wie ein massives Partikel große Entfernungen durch instationäre Luftströmungen zurücklegen kann. Die Schwebefähigkeit der Spinnen unterscheidet sich von denen geflügelter Insekten, da die Spinne der einzige Gliederfüßer ist, der in einer Höhe von 4,5 km entdeckt wurde. Einige Spinnen können sich über mehrere hundert Kilometer durch die Luft verbreiten. Da es kaum quantitative Daten zum Spinnenflug gibt, sind die physikalischen Mechanismen des Fadensegelflugs nicht bekannt. Dementsprechend löst diese Studie diese Frage durch die genaue Beobachtung des Fadensegelflugs der Spinnen und beschreibt dessen fluiddynamische Eigenschaften durch Simulationen mittels eines physikalischen Modells in verschiedenen Strömungen. In der vorliegenden Studie wurden die Flugfäden als Fesselfäden aus aciniformen Drüsen identifiziert. Die bisher unbekannte Zahl der Flugfäden wurde quantifiziert. Große Spinnen produzieren Dutzende von nanoskaligen Seidenfäden wenn sie sich auf ihren Fadensegelflug begeben. Eine Krabbenspinne mit einem Gewicht von 20 bis 25 mg spinnt 50 bis 60 Flugfäden, die etwa 200 nm dick und durchschnittlich 3,22 m lang sind. Diese Fäden sind ausreichend, um auch große Spinnen in leichter Aufwindströmung in die Luft zu heben. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass der Grund, warum Spinnen niedrige Windgeschwindigkeiten (unter 3 m/s) für ihren Flug bevorzugen, darin besteht, dass Spinnen Aufwinde nutzen können, die durch kohärente Strukturen in der atmosphärischen Grenzschicht induziert werden. In solch einer turbulenten Grenzschicht korrelieren die Aufwinde häufig mit niedrigen Windgeschwindigkeiten. Zusätzlich wird die 200-nm-Begrenzung der Fadendicke als kleinster Durchmesser erkannt, der Widerstand im Luftstrom effizient erzeugen kann. Der Widerstand auf einen Seidenfaden nimmt drastisch ab, wenn die Dicke des Fadens kleiner als 200 nm ist, da die Verdünnung der Luftmoleküle auf der Seide (die mittlere Weglänge der Luft beträgt 65 nm) eine slip-Bedingung an der Seide erzeugt. Aus physikalischer Sicht wird die Widerstandsanisotropie eines Spinnenfadens als wichtiger Faktor erkannt, der die nichtlineare Schwebefähigkeit in der instationären Atmosphäre ermöglicht. Darüber hinaus wird bei der Simulation das Phänomen beobachtet, dass eine fadenförmige Struktur von einem Wirbel in der Turbulenz gefangen wird. Die Fadenstruktur (Spinnenfaden) ermöglicht einem schweren Partikel (Spinnenkörper) lange Zeit in einer atmosphärischen Wirbelstruktur zu schweben. Der Fadensegelflug, welcher durch eine fadenförmige Struktur (extrem dünne und hoch flexible Seide) fliegt, wird weiterhin mit dem passiven Flug einer punktförmigen Struktur wie Löwenzahn- oder Distelsamen verglichen. Während eine punktförmige Struktur in homogenen Turbulenzen eine gleichen Verteilung ihrer Fallgeschwindigkeiten in beide Richtungen des langsamen und schnellen Sinkens zeigte, weist die fadenförmige Struktur in homogenen Turbulenzen eine exzentrische Verteilung der Wahrscheinlichkeit zur Richtung des langsamen Absinkens (oder sogar Steigens) im Vergleich zur Fallgeschwindigkeit der Struktur im stillen Medium auf. Während die langsame Absinkgeschwindigkeit eines Ahornsamens durch Übertragung der anfänglichen potentiellen Energie der Schwerkraft auf seine kinetische Energie ermöglicht wird, wird die langsame Sedimentation einer fadenförmigen Struktur durch die Interaktion zwischen den Turbulenzen mit dem Filament. Daher kann eine an einer fadenförmigen Struktur angebrachte Punktmasse als eine energie-extrahierende Struktur in der turbulenten Strömung betrachtet werden. Da eine an einer Punktmasse befestigte Faser in ungleichmäßigen Strömungen einen nichtlinearen Charakter aufweist, könnte die Dynamik fadenförmiger Schwebekörper für das Gebiet der Partikel-Sedimentation interessant sein. Berücksichtigt man außerdem die Tatsache, dass Spinnen häufig die ersten Migranten auf neuen Vulkaninseln sind, sowie die Anpassungsfähigkeit der flexiblen Faser und die Robustheit des passiven Flugverhaltens unter turbulenten Bedingungen, könnte der passive Flugmechanismus der Spinnen vom Menschen genutzt werden, z. B. für die Erkundung unbekannter Naturphänomene, wie bei der Untersuchung gefährlicher Wetterbedingungen in Hurrikans oder Taifunen oder sogar der Atmosphäre anderer Planeten wie z.B. Saturn oder Jupiter. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10612 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9538 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.relation.haspart | 10.14279/depositonce-7141 | en |
| dc.relation.issupplementedby | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9527 | en |
| dc.relation.issupplementedby | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9528 | en |
| dc.relation.issupplementedby | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9529 | en |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten | de |
| dc.subject.other | ballooning spider | en |
| dc.subject.other | atmospheric boundary layer | en |
| dc.subject.other | coherent structure | en |
| dc.subject.other | fiber dynamics | en |
| dc.subject.other | turbulence | en |
| dc.subject.other | aerial dispersal | en |
| dc.subject.other | crab spider | en |
| dc.subject.other | low Reynolds number flow | en |
| dc.subject.other | balloning flight | en |
| dc.subject.other | Knudsen number | en |
| dc.subject.other | fliegende Spinne | de |
| dc.subject.other | atmosphärische Grenzschicht | de |
| dc.subject.other | kohärente Struktur | de |
| dc.subject.other | Fadendynamik | de |
| dc.subject.other | Turbulenz | de |
| dc.subject.other | Luftverbreitung | de |
| dc.subject.other | Krabbenspinne | de |
| dc.subject.other | Strömung mit kleiner Reynolds-Zahl | de |
| dc.subject.other | Fadensegelflug | de |
| dc.subject.other | Knudsen-Zahl | de |
| dc.title | Suspension of a point-mass-loaded filament in non-uniform flows: The ballooning flight of spiders | en |
| dc.title.translated | Schwebeverhalten eines Punktmassen befestigten Filaments in ungleichmäßigen Strömungen: Der Fadensegelflug der Spinnen | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | domain | en |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Biotechnologie::FG Bioverfahrenstechnik | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 3 Prozesswissenschaften | de |
| tub.affiliation.group | FG Bioverfahrenstechnik | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Biotechnologie | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |