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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“ Berg- und Talbahnen in der Natur Bolzenflug, Schwimmspringen und Achterbahnsegeln.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“ Berg- und Talbahnen in der Natur Bolzenflug, Schwimmspringen und Achterbahnsegeln

2 Merkwürdiger Flug kleiner Vögel

3 Bolzenflug eines Buntspechts

4 Analyse des Bolzenflugs

5 = Flügel-Auftriebsbeiwert = Profil-Widerstandsbeiwert Kräfte an einem Modell-Vogel = Rumpf-Widerstandsbeiwert mit Siehe 8. Vorlesung ! Antrieb (kann ein Propeller-, ein Raketen-, ein Schwingenantrieb sein) Flügelstreckung

6 für mittleren Horizontalflug Steigphase Sturzphase Zeitliches Mittel Mittel A W W 1 - a T T a v T () 1 a - m m a

7 Minimum Liefert die unsinnige Lösung: Das in der Luft still stehende Flugzeug (wegen der unendlich großen Fläche möglich) hat den geringsten Widerstand. Betrachtung der „halben“ Aufgabe: v sei vorgegeben. Wir differenzieren also nicht nach v. Vorteil der Zusammenfassung: Falls sich eine Größe nur schwer verändern lässt, kann die andere Größe optimal eingestellt werden.

8 Minimum Nicht frei ! Abhebegeschwindigkeit eines Vogels 5,8 0,05 für Notwendige Flügelfläche, um überhaupt in die Luft zu kommen ! Vernünftige Vorgabe von v Reisegeschwindigkeit Abhebegeschwindigkeit Vorteil des Zusammenfassens Es ist eine Reisegeschwindigkeit vorgegeben. Aber das Flugobjekt muss noch bei der halben Geschwindigkeit zum Fliegen gebracht werden.

9 Der Wellen- oder Bolzenflug, intermittierender Flug ist die Art, wie viele kleine Vögel wie Schwalben, Feldlerchen und Mauerschwalben fliegen: Mit einem „Triller“ von Flügelschlägen heben sie sich nach oben, um während der folgenden Schlagpause wieder auf einer Wurfparabel abzusinken. Für diese Form des Vogelflugs gab Sir Michael James Lighthill eine einfache Erklärung: Immer dann, wenn der Reibungswiderstand an den gestreckten Flügeln größer wird als der auftriebsabhängige induzierte Widerstand, kann - bei vorgegebener Flugstrecke - Energie gespart werden, indem der Vogel seine Flügel zeitweise anlegt. Diesen Vorteil haben Vögel freilich nur dann, wenn ihre Fluggeschwindigkeit deutlich höher ist, als die Geschwindigkeit mit dem geringsten Luftwiderstand (die ihrerseits wieder etwas über der optimalen Geschwindigkeit mit dem geringstmöglichen Leistungsaufwand liegt). Intermittierend können also nur kleine Vögel fliegen, die über relativ große Leistungsreserven verfügen. Erklärung in Wikipedia:

10 Ein Flugzeugflügel ist dann optimal ausgelegt (Fliegen mit minimalem Gleitwinkel c w / c a ), wenn der induzierte Widerstand c wi (Widerstand durch Randwirbel) gleich dem Profilwiderstand c wp (Reibungswiderstand + Formwiderstand des Tragflügels) ist (siehe Ableitung unten). Das führt bei einer Auslegung des Flugzeugs für einen schnellen Reiseflug ( v gegeben) dazu, dass die Flügelfläche relativ klein wird. Für den Start bei moderater Geschwindigkeit (Startgeschwindigkeit deutlich kleiner als die Reisegeschwindigkeit) muss die Tragflügelfläche aber groß sein. Der Ausweg: Eine beim Start große Tragflügelfläche wird beim Übergang zum schnellen Reiseflug verkleinert. Das geschieht in der menschlichen Flugtechnik durch Einfahren von beweglichen Flügelelementen (geometrische Flächenverkleinerung) und bei kleinen Vögeln durch periodisches Anklappen der Flügel an den Rumpfkörper (zeitliche Flächenverkleinerung). Ein vielleicht bessere Erklärung: Bei vorgegebenem v und m folgt daraus F

11 Minimum Liefert die unsinnige Lösung: Das in der Luft still stehende Flugzeug (wegen der unendlich großen Fläche möglich) hat den geringsten Widerstand. Warum muss der Vogel überhaupt fliegen, d. h. seinen Ort wechseln ? Die genauere Betrachtung: ?

12 Zur Evolution der Mobilität in der Natur Es beginnt mit der passiven Mobilität: Pflanzen schicken ihre Samen durch abenteuerliche Konstrukte auf die Reise. Erster Vorteil: Am fer- neren Standort ist der Boden fruchtbarer. Zweiter Vorteil: Das Erbgut wird weitläufiger durchmischt. "Wenn der Prophet nicht zum Berge kommt, dann muss der Berg eben zum Propheten kommen„ - Das ist der Ausgangspunkt für die Entwick- lung der aktiven Mobilität. Tiere müssen unter Energieaufwand Nah- rung suchen. Die „gebratenen Tauben fliegen ihnen nicht in den Mund“. Modell

13 Benzin-Hamstern auf der Zapfstraße Ein Modell für den Zweck der Mobilität von Lebewesen Benzinverbrauch bei 50 km / h: 2 ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 100 km / h: 5 ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 200 km / h: 10 ℓ /100 km Ein Autofahrer fährt eine wundersame Straße entlang. Alle 10 km kann er kostenlos 1 ℓ Benzin tanken. Bei welcher Geschwindigkeit hamstert er das meiste Benzin pro Stunde ?

14 Gewinn [ℓ /h] = ( Tanken [ℓ /km] – Verbrauch [ℓ /km] )  Geschwindigkeit [km/h] Benzinverbrauch bei 50 km / h: 2 ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 100 km / h: 5 ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 200 km / h: 10 ℓ /100 km Analoge biologische Gewinnfunktion Gewinn [kJ/h] = ( Nahrung [kJ /km] – Flugarbeit [kJ /km] )  Geschwindigkeit [km/h] G = (0,1 – 0,02) · 50 = 4 ℓ /h G = (0,1 – 0,05) · 100 = 5 ℓ /h G = (0,1 – 0,10) · 200 = 0 ℓ /h Auf den Kilometer bezogen

15 Schwimmspringen in der Natur Der Delfinstil

16 Spiel oder Energieminimierung ?

17 Steinwurf Über- und Unterwasserbahn eines Delfins

18 Annahme: Mit Annahme Kreisbahn ! Der Delfin muss in der Unterwasserphase den Eintauchwinkel  in den „Spiegelwert“ (    ) umdrehen. 

19 Weggewinn des Schwimm-Sprung-Stils der Delfine w = Wasserweg l = Luftweg

20 Delfine im Delfinstil

21 Pinguin im Delfinstil Foto: Ingo Rechenberg

22 Der Flug des Albatros

23 Foto: Ingo Rechenberg Albatros bei der unteren Kehrtwende

24 Thermischer Aufwind Aufwind am Hang

25 Albatros im dynamischen Segelflug Scherprofil des Windes

26 v v v+ 2 w v+ w Zum Flug des Albatros Das Eisschollen- Bob-Modell v+ w Äußerer Betrachter schwarz Innerer Betrachter grün Eisscholle schiebt sich mit w auf die untere Scholle Siehe Wikipedia: „Dynamischer Segelflug“

27 v v w 2w2w Vogel macht Kehrtwende im Laderaum eines rückwärts fahrenden Lasters Modell zum dynamischen Segelflug

28 Zwei Denkmodelle zum dynamischen Segelflug Kugelschleudern Jo-Jo-Spiel

29 Dynamischer Segelflug von Flugmodellen Sehr entfernte Ähnlichkeit mit dem Albatrosflug Drachenwindkraftwerk

30 Mikro Flug Vehikel MAV (Micro Air Vehicle)

31 … An diesen Bienen fiel zunächst die Größe auf. … Sie hatten etwa den Umfang einer Walnuss, die noch in der grünen Schale steckt. … Zapparoni, dieser Teufelskerl, hatte wieder einmal der Natur ins Handwerk gepfuscht… Wahrscheinlich saß er dort behaglich bei seinen Büchern und verfolgte zuweilen auf dem Bildschirm, was ihm die „Glasbiene“ sendete. Ein Roman aus dem Jahr 1957

32 Mikrodrohne des Instituts Schriftsteller und Insektenforscher Ernst Jünger (1895 – 1998) Rekonstruktion von Jüngers Glasbiene

33 Landung eines Mikro Air Vehikels

34 Flug eines Mikro Air Vehikels im Institut

35 MAV Vorführung

36 Klein, kleiner, am kleinsten Aus dem Internet

37 Künstliche Libelle von Erich von Holst (1940) Spannweite 53 cm Gewicht 12 g Gu = Gummimotor R = Fadenrolle W = Wickelplatte K = Kurbel P = Pleuelstange Vorbild Libelle

38 Mikro-Flugobjekte

39 oder Die offene Frage Rotative Bewegung MAV (Firma Epson) Flatterbewegung MAV (US Studenten) In der Biologie wäre eine Gewebeverbindung zwischen Rad und Achse notwendig

40 Flattern als Ersatz der Rotation Beginn Abschlag Beginn Aufschlag

41 MAVLibelle

42 Bienenelfe ( Mellisuga helenae ) 5 cm 2 Gramm MAV - Vorbild Vogel

43 Abstrahiertes Bild der Flatterbewegung

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46

47 Schwebeflug

48 Flügelbahn einer schwebenden Fliege Experiment Michael Dickinson

49 Größe Strömungsphysik (Reynoldszahl) Andere Strömungsphysik andere Lösungen ! Federflügler 0,25 mm Libelle Airbus 380 Bionik! Insektenflug Bionik Nanodrohnen

50 MAV-Erkundung in den Dünen

51 Der „Smart Bird“ der Firma FESTO

52 NASA-Studie: Intelligent Organic Aicraft Das BATS Programm ist ein NASA Langley Forschungsprogramm, an dem das Morpheus Lab als Partner beteiligt ist. Die Bemühungen zielen auf die Entwicklung des ersten Fluggeräts ab, das ähnlich biologischer Organismen vollständig aus verteilten Systemen konstruiert ist. Der organische Ornithopter wird aus integrierten und verteilten Schichten aktiver Materialien (d. h. Muskeln), verteilten sensorischen Schichten (d. h. Nerven) und einem verteilten Energiespeicher und Energieversorgungssystem [Anm.: MEMS Mikro-Turbinen, -Generatoren und -Pumpen] bestehen. Das wird ähnlich wie bei biologischen Organismen sein, die vollintegrierte verteilte Funktionssysteme besitzen. Das Fluggerät wird autonom fliegen, was Sinnesempfindungen und intelligente Algorithmen zur Steuerung erfordert. Biomechanical Aerial Technology System (BATS)

53 Antriebsschema eine Quadrocopters Quadrocopter

54 Zunehmende Anwendung durch Profi- und Hobbi-Fotografen Mikro-Drohne DJI Phantom 2 Vision Quadrocopter

55 Zukünftige Einsatzmöglichkeiten von Mikro-Drohnen (MAV = Micro Air Vehicle) Verfolgung chemischer Konzentrationsgradienten in Innenräumen (Sprengstoffschnüffler, Lokalisierung von Gaslecks) Aeromagnetische und aeroelektrische Feldmessungen zur Lagerstätten-Exploration und zur archäologischen Prospektion durch scannende MAVs bzw. einen MAV-Schwarm Ebenes Abscannen von Landstrichen zur Detektion von Minen mit autonom geregelten tiefstfliegenden MAVs in lateraler Schwarmordnung Folgen des Duftgradienten einer geschädigten Flora (z. B. Grünblattduft der Kartoffelpflanze bei Kartoffelkäferbefall) und singuläre Schädlings-Elimination durch MAVs Detektion von Lawinen-Verschütteten durch ein auf neuronale Aktivität ansprechendes hochsen- sibles adaptives Antennenarray mit verteilten MAVs (MAV-Schwarm) Detektion kleinster Geräuschquellen (z. B. Klopfgeräusche) durch ein von einem MAV-Schwarm gebildetes adaptives Mikrofonarray (akustische Kamera) Transport und Absetzen von e-Grains durch MAVs in Sondereinsätzen, z. B. bei der Terroristen- bekämpfung Optische Inspektion exotischer Areale (z. B. Abwasserkanäle) und undefinierbarer Gegenstände durch MAVs mit Videokamera im Normal- und Infrarotbereich Autonomes Durchfliegen von Waldregionen mit Kamera-MAVs in lateraler Schwarmordnung auf der polizeilichen Suche nach Verbrechensopfern

56 Evolution Springen: Fortbewegung mit kleinerem Energieverbrauch ? Frosch Delfin Heuschrecke Saharaspinne Känguru Zurück vom Hin und Her zu Auf und Ab

57 Das Auf und Ab der rollenden Saharaspinne Cebrennus rechenbergi Höhe Strecke

58 Ende


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