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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“ Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Nachträge.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“ Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Nachträge

2 Wasserläufer (Gerris lacustris.) Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ? 1,5 m/s

3 Auch Spinnen können übers Wasser laufen Eindellung der Wasseroberfläche

4 Robostrider (MIT) Künstliche Wasserläufer Original Carnegie Mellon University M I T Harbin University (China) W o z u ?

5 Mikrozahnrad im Größenvergleich: Fraunhofer Forscher haben eine Maschine namens IPA.FluidSorting entwickelt, mit der sich selbst die kleinsten Teilchen vereinzeln und an den Montageplatz schwemmen lassen. AUTOMATISIERUNG IM MIKROBEREICH Transportmaschine IPA.FluidSorting hat Wasserläufer als Vorbild Mit Hilfe der Oberflächenspannung von Wasser lassen sich winzige Bauteile vereinzeln und zur Montagestation transportieren. Selbst Staubkörner könnten sortiert werden. Pressemitteilung

6 Wasserläufer: Beinhaare mit Superhydrophoben Nano-Rillen Nano-Rillen 200 nm 20 μm Xuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing Cassie-Baxter-Effekt !

7 2 cm 20 m Biologisches Vorbild Technische Nachahmung Entwurf einer Passagier-Wasserlauffahrzeugs 1000-fache Vergrößerung

8 Bionik ist Quatsch ? Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert

9 Es gilt: Geometrische Ähnlichkeit zwischen biologischem Vorbild und technischer (Groß-)Ausführung ist zwar eine notwendige aber keine hinreichende Bedingung für gleiche physikalische Vorgänge.

10 Zusätzlich müssen auch die voneinander unabhängig wirkenden Kräfte im gleichen Verhältnis zueinander stehen (Dynamische Ähnlichkeit). Wenn diese Kräfte verschiedene physikalische Ursachen haben, kann sich bei Änderung des Maßstabes dieses Verhältnis ändern. Änderung der Kräfte-Resultierenden !

11 Oberflächenkraft Gewichtskraft Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung Versuch mit Flüssigkeitslamelle

12 Dynamische Ähnlichkeitskennzahlen: Cauchy-Zahl (Trägheitskräfte – Elastische Kräfte) Froude-Zahl (Trägheitskräfte – Gewichtskräfte) Eötvös-Zahl (Gewichtkräfte – Oberflächenspannung) Reynolds-Zahl (Trägheitskräfte – Reibungskräfte) (Trägheitskräfte – Oberflächenspannung) Weber-Zahl

13 Abbesche ZahlAbbesche Zahl (V) Archimedes-ZahlArchimedes-Zahl (Ar) Arrhenius-ZahlArrhenius-Zahl (γ) Atwood-ZahlAtwood-Zahl (At) BegasungszahlBegasungszahl (NB) Biot-ZahlBiot-Zahl (Bi) Bodenstein-ZahlBodenstein-Zahl (Bo) Bond-ZahlBond-Zahl (Bo) Brinkmann-ZahlBrinkmann-Zahl (Br) Cauchy-ZahlCauchy-Zahl (Ca) Colburn-ZahlColburn-Zahl (J) Damköhler-ZahlDamköhler-Zahl (Da) Dean-ZahlDean-Zahl (De) Deborah-ZahlDeborah-Zahl (De) Eckert-ZahlEckert-Zahl (Ec) Ekman-ZahlEkman-Zahl (Ek) Elsasser-Zahl Eötvös-ZahlEötvös-Zahl (Eo) Ericksen-ZahlEricksen-Zahl (Er) Euler-ZahlEuler-Zahl (Eu) Fourier-ZahlFourier-Zahl (Fo) Froude-ZahlFroude-Zahl (Fr) Galilei-ZahlGalilei-Zahl (Ga) Graetz-ZahlGraetz-Zahl (Gz) Grashof-ZahlGrashof-Zahl (Gr) Hagen-ZahlHagen-Zahl (Hg) Hatta-ZahlHatta-Zahl (Ha) Helmholtz-ZahlHelmholtz-Zahl (He) Jakob-ZahlJakob-Zahl (Ja) Kapillarzahl Karlovitz-ZahlKarlovitz-Zahl (Ka) Kavitationszahl Keulegan-Carpenter-ZahlKeulegan-Carpenter-Zahl (KC) Knudsen-ZahlKnudsen-Zahl (Kn) Laplace-ZahlLaplace-Zahl (La) Lewis-ZahlLewis-Zahl (Le) Ljascenko-ZahlLjascenko-Zahl (Lj) Mach-ZahlMach-Zahl (Ma) Marangoni-ZahlMarangoni-Zahl (Mg) Markstein-Zahl Morton-ZahlMorton-Zahl (Mo) Nahme-ZahlNahme-Zahl (Na) (auch Griffith Zahl) Newton-ZahlNewton-Zahl (Ne) Nusselt-ZahlNusselt-Zahl (Nu) Ohnesorge-ZahlOhnesorge-Zahl (Oh) Péclet-ZahlPéclet-Zahl (Pe) PhasenübergangszahlPhasenübergangszahl (Ph) Prater-ZahlPrater-Zahl (β) Prandtl-ZahlPrandtl-Zahl (Pr) Rayleigh-ZahlRayleigh-Zahl (Ra) Reynolds-ZahlReynolds-Zahl (Re) Richardson-Zahl Rossby-ZahlRossby-Zahl (Ro) Schmidt-ZahlSchmidt-Zahl (Sc) Sherwood-ZahlSherwood-Zahl (Sh) SiedekennzahlSiedekennzahl (Bo, boiling number) Stanton-ZahlStanton-Zahl (St) Stefan-ZahlStefan-Zahl (Ste, Kehrwert von Ph) Stokes-ZahlStokes-Zahl (St) Strouhal-ZahlStrouhal-Zahl (Sr) Taylor-ZahlTaylor-Zahl (Ta) Thiele-ModulThiele-Modul (φ) Thring-Zahl Weber-ZahlWeber-Zahl (We) Weisz-ModulWeisz-Modul (Φ) Weissenberg-ZahlWeissenberg-Zahl (Ws) Ähnlichkeitskennzahlen im Internet

14 Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Reynoldszahl Strömungsmedium: Dichte Zähigkeit   y v = 0 Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl wasser = 1·10 -6 m 2 /s luft = 15·10 -6 m 2 /s Zentripetal- Kraft Newtonsche Schubspannung Kinematische Zähigkeit Strömungsteilchen

15 Größe Strömungsphysik (Reynoldszahl) Andere Strömungsphysik andere Lösungen ! Federflügler 0,25 mm Libelle Airbus 380

16 Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

17 Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

18 Flugmodell Zahnstocher Re = 8 ·10 4

19 Saalflugmodell Re = 4 ·10 3 Mikro Air Vehikel Wegen der zunehmenden Reibungskraft (im Verhältnis zur Trägheitskraft) bewegt sich ein Saalflugmodel wie im zähen Honig, während im Vergleich der A380 in einem sehr dünnflüssigen Medium fliegt.

20 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

21 Verkehrsflugzeug Segelflugzeug A2-Flugmodell Saalflugmodell a b c d a Adler b Bussard c Habicht d Sperber Re Reynoldszahl und Flügelprofil Die unterschiedliche Strömungsphysik führt zu unterschiedlichen optimalen Flügelprofilen

22 Die 7 Denkschritte in der Bionik Nutzung der evolutiven Lösung Biologisches Funktionsprinzip F b stopp ja nein F b ähnlich F t ? Technisches Funktionsprinzip F t Biologische Randbedingungen R b Technische Randbedingungen R t R b ähnlich R t ? G b ähnlich G t ? Biologisches Gütekriterium G b Technisches Gütekriterium G t FuRaGü soll eine schwache Regel sein Man sollte bei einer bionischen Innovation prüfen, ob wirklich eine Evolutions-Leistung in die Technik übertragen wurde

23 F b = Schmetterlingsschuppen F t = Dachziegel Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik FbFb FtFt F b ≠ F t

24 R b = Flügelprofil Vogel R t = Flügelprofil Flugzeug Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik RbRb RtRt R b ≠ R t NACA Storch Adler Flugzeug Wegen Reynoldszahl nein

25 G b = Mohnkapsel G t = Salzstreuer Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik GbGb GtGt G b ≠ G t

26 Trivial-Bionik 1

27 Trivial-Bionik 2

28 Trivial-Bionik 3

29 Trivial-Bionik 4

30 Trivial-Bionik 5

31 Trivial-Bionik 6

32 Trivial-Bionik 7

33 Trivial-Bionik 8 Schiff-Bugwulst Delfin-Schnauze Die Unterwassernase erzeugt ein zweites Wellensystem, das die Bugwelle durch Interferenz verkleinert.

34 Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch diskutiert 50 μm

35 1. Nachtrag: Weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution

36 Imitation von Tieren Zoomimese Pflanzen oder Pflanzenteilen Phytomimese Leblosen Gegenständen Allomimese Mimese

37 Dornzikaden an einem Rosenstamm

38 Interpretation der Formgebung einer Dornzikade als Optimierungsproblem

39 Minimum 2 istsoll )(    x yy Problem der Kurvenanpassung soll y ist y Ur- Dieses Optimierungsproblem hat die Evolution gelöst !

40 Die Thailändische Langkopfzirpe Hier ist der Kopf !

41 Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter (Phalera bucephala) Mondvogel

42 Lonomia Motte Kopf Rechte Flügelspitze Linke Flügelspitze

43 Heikegani-Krabbe oder Samurai-Krabbe Samurai-Maske Eine gewagte Hypothese: Die Samurai-Krabbe ahmt einen Samurai- Krieger nach, weil Japanische Fischer Krabben, die einem Samurai- Gesicht ähnelten, stets ins Meer zurückgeworfen haben. Krabben mit mehr Samurai-Gesicht haben sich so verstärkt vermehren können.

44 Verborgen im Saharasand Foto: Ingo Rechenberg Wo ?

45 Biomimetik (modern) = Bionik ? Zum Schein so tun als ob … Äußerlichkeit nachahmen Täuschen

46 Quadkopter Holz ParkettLaminat Fußboden Biomimetik So tun als ob Biomimetik Design So steht es auf der Verpackung

47 Unimodale und multimodale Optimierung

48 unimodal multimodal

49 Multimodale Optimierung in der Natur

50 Komplexauge Linsenauge Zwei Lösungen der Evolution

51 Multimodalität der Augen-Evolution Das sind alles Lösungen, die einen Berggipfel „erklommen“ haben

52 Unimodale Optimierung in der Natur

53 Beutelmaus Die parallele Maus in der Evolution Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)

54 Beuteligel Beutelratte Beutelhund Beutelmaulwurf Unimodale Evolution (Optimierung) Beutelbär Australien In

55 Beutelmensch

56 Sandfisch Sandschleiche Sandboa Parallelevolution - Grundlage der Bionik

57 2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

58 Temperatur Wüstenboden: 70°C Temperatur Koloquintenblatt: 35°C

59 Astragalus trigonus Blatt-Temperatur °C Bodentemperatur 70°C !

60 Kühlung von lebenden Koloquintenblättern Lange O.L. (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147, h T e m p e r a t u r [ C ] ° Blatt abgeschnitten Temperatur unverletztes Blatt Temperatur abgeschnittenes Blatt

61 Kalte Spiegelglasscheibe Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

62 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

63 Restfeuchte im Ton

64 H2OH2O H2OH2O Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe Spaltöffnung 9 m9 m Wasserhäutchen Oberflächenspannung

65 Vorbild Natur Nachbildung Technik

66 1.Tag 2.Tag 3.Tag 4.Tag 5.Tag 6.Tag 7.Tag 8.Tag 9.Tag Versuch in der Oase Tisserdmine 30. März bis 7. April 2013 geerntet gesaugt Tonkugel-Transpirationspumpe

67 Pro Tag geerntetes Trinkwasser: Theoretisch bis zu 20 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche Rückgewinnung der Kondensationswärme Nachgebildete Spaltöffnungen Nachgebildetes Pflanzenblatt Bionik-Pumpe mit Rückgewinnung der Kondensationswärme Vakuumdämmung Solarabsorber Saugkerzen im Wüstenboden Kühles Bodenwasser

68 Ende Treffen zum Praktikum Wedding Ackerstraße Stock „Bionik“ Freitag 13 Februar 10 Uhr


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