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Veröffentlicht von:Ambros Lasser Geändert vor über 9 Jahren
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PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische
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1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten
Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten cw → Min 2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten h → Max
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Flossenpropeller - Forelle
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Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel
Startbeschleunigung 5g Startstellung 2,6 m/s 0,15 s Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel
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Wie entsteht der Schub einer Fischflosse
Auftrieb Nicht so … 3 Theorien sondern so
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v v v A W Vortrieb durch Auftrieb Auftriebstheorie von Heinrich Hertel
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Schuberzeugung einer Fischflosse
Delfin schwimmt nach oben Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie Anstellwinkel
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Schuberzeugung einer Fischflosse
Delfin schwimmt nach oben Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie
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Bei Vorwärtsbewegung Schub Auftrieb (Hier Aufwärtsbewegung !)
Schräganströmung durch Bewegung nach oben Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Bei Vorwärtsbewegung (Hier Aufwärtsbewegung !)
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Wirbeltheorie von W. Liebe
Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Wirbeltheorie von W. Liebe Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 (Flexible Flosse, Ansicht von oben)
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Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme
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Schub erzeugende Wirbelsysteme
Wirbel- Ringe Schub erzeugende Wirbelsysteme Wirbel- Spule Wirbel- Faltblatt
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Ringwirbelstraße einer Qualle
Nicht ganz richtig ! Siehe weiter unten ! Ringwirbelstraße einer Qualle
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Strömungsbeschleunigung durch
eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse
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Wirbelbild Delfinflosse
Wirbelspule ?
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Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis
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South Shetlands, Antarktis
Beschleunigungssensoren Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen Kabel Pinguin im Schwimmkanal King George Island South Shetlands, Antarktis
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Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch
1 Pinguin im Schwimmkanal Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch 2 Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet Wirbelring 3 Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings
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eine Wirbelfaltstruktur
Schub Wirbelringe CFD Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur
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? Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?
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Wirbelring im Wirbelring ?
Nature 430, 850 (19 August 2004) C. D. Wilga & G. V. Lauder Biomechanics: Hydrodynamic function of the shark's tail
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Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Tunfischs ?
Nasenband Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Nasenband an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?
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CFD Visualisierung und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenband
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Flossenboote
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Zurück zum technischen Propeller
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Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers
Strömungspfropfen Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung S S Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft Vortriebsleistung: Antriebsleistung: Vortriebswirkungsgrad: Möglichst klein Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers
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→ kleine Luftbeschleunigung
Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad
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Die Caravelle h sehr klein Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit
Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)
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Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika
Schaumschläger Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Ein unmöglicher Antrieb
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Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand
Der Trick der Natur die Strömung an der richtigen Stelle anzutreiben Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand
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Das Propeller-Sieb-Modell
Modell für gleichmäßige Strömungsabbremsung Sieb Das Propeller-Sieb-Modell
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? a b v v Das Propeller-Sieb-Modell
Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden Die Euro-Frage: Ist aus energetischer Sicht: „a“ besser als „b“ „b“ besser als „a“ „a“ so gut wie „b“ Sieb ? Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel
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a v v v v c b 1 2 L L 1 L - + = 1 30 , 1 = L v v v + - = + v v v v
Sieb a v 2 v v v æ ö 1 + 2 - ç S ÷ S L v è ø b = v L + a 1 S v w c a b L - + = 1 30 , 1 = a b L Für cw = 0,5 v v b P Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel v v S
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v v v v F Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes:
Impulssatz der Strömungslehre v v F S P Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v v Bedingung für stationäre Bewegung: S Bedingung: F = F = F S P Erforderliche Propellerleistung:
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v0 vS vP F F Schub des Propellers: Widerstand des Siebes:
Impulssatz der Strömungslehre Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v0 vS vP Bedingung: F = F = F S P Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung:
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Leistungsverhältnis:
1,0 1,00 0.8 1,20 0,6 1,43 0,4 1,68 0,2 2.00 2,41 v L L S N H
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Propeller-Sieb-Modell
Nebeneinander und hintereinander Test im Windkanal hat die Theorie bestätigt
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Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum
Propeller Strahl Verlustenergie Sieb Nachlauf Keine bewegte Luft Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum
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Integrale Antriebe in der Natur
Vogel Fisch Paramecium Aal Qualle Manta
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Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet
(NASA-Studie)
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Vision: Flugzeug mit Integralantrieb
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Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?
Strömungseintritt und Beschleunigung Helmholtzscher Wirbelsatz: Es können nur entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren ! Ringwirbel Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht
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nicht so Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
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Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
sondern so Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
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Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?
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1 2 3 4 5 6 Wirbeltheorie von W. Liebe
Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 Wirbeltheorie von W. Liebe
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Saugwirkung eines Wirbels
Unterdruck Zentrifugiertes Strömungsteilchen Saugwirkung eines Wirbels Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche Durch fehlende Zentrifugalwirkung wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt
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Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel
Vortex Generatoren Tusche Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Randwirbel
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Lernen vom fliegenden Fisch
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Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs
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Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs
Schub S Für Vortriebswirkungsgrad = 1 Zur abgeleiteten Formel
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schlecht Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen. Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug besser vom „härteren“ Wasser abstoßen !
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Vorteile eines Bodeneffektflugzeugs
1. Größerer Auftrieb eines Flügels in Bodennähe 2. Kleinerer Widerstand der Randwirbel durch einen Spiegelungseffekt
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Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing
„Pelican“ Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing Spannweite 152 m, Länge 109 m Reichweite km bei einer Flughöhe von 6 m
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Der Schienenzepp von Franz Kruckenberg
fuhr am 21. Juni 1931 in 98 Minuten von Hamburg-Bergedorf nach Berlin Spandau und hielt 24 Jahre den Geschwindigkeits-rekord von 230 km/h. Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !
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Ende
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v Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes:
Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: v S P Bedingung: F = F = F F Impulssatz der Strömungslehre
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