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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik I Methoden der Widerstandverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen Weiterverwendung.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik I Methoden der Widerstandverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Fünf Methoden der Widerstandsverminderung 1. Tunfisch/Pinguin-Form zur Grenzschicht-Laminarerhaltung 2. Delfinhaut zur Dämpfung von laminaren Grenzschichtwellen 3. Fischschleim zur Dämpfung turbulenter Mikrowirbel 4. Haifisch-Schuppenrillen zur Minderung des Strömungsschlingerns 5. Pinguin-Federkleid als Luftspeicher zur Mikroblasen-Ejektion

3 a) Druck- oder Formwiderstand b) Reibungswiderstand Widerstand in Reinstform

4 Für den Reibungsbeiwert gelten die Formeln: Theorie – Reibungswiderstand

5 U-Punkt Theorie Reibungswiderstand Mit dem Dickerwerden der Grenz- schicht stromab verringert sich die lokale Reibung. Der auf die Fläche bezogene Reibungsbeiwert sinkt.

6 Entdeckung der laminaren und turbulenten Strömungsform durch Osborne Reynolds (1883) Rohrströmung

7 Instabilitätspunkt Re = 1,1·10 5 Umschlagpunkt Re = 3·10 6 Schwingendes Band Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent R EYNOLDS zahl:

8 Eine beschleunigte Strömung macht ein Strömungsprofil konvexer und wirkt so stabilisierend destabilisierend stabilisierend

9 Pinguin-Form

10 Tunfisch Pinguin Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik Laminarspindel Theorie Geschwindigkeitsverteilung

11 Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart

12 Delfin-Haut

13 a: 0,2 mm glatter Film b: 0,5 mm gummiartig c: 0,5 mm f lüssig / filzig d: ledrig Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. K RAMER ) Interpretation der Hautschichten: a)Film für glatte Oberfläche b) Elastische Membran c) Flüssigkeits-Dämpfung d) Schutzhaut

14 Technische Nachbildung der Delfinhaut

15 Kramer-Punkt Bester Messwert von M. O. K RAMER für eine Federsteifigkeit der Haut von 220 N/cm 2 c f = 0,003 Re = 1,5·10 7 Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut

16 M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR Vieweg-Verlag, Braunschweig Literatur:

17 Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt Pendel Viskoelastische Flüssigkeit

18 Fischleim zur Wirbeldämpfung

19 11,5 ppm (parts per million) Schleimsubstanz Rosen/Cornford 1971

20 a) Farbwasser in klares Wasser. Injektion gemäß linkem Versuchsaufbau b) Farbwasser mit 20 ppm Schleim in klares Wasser mit 20 ppm Schleim c) Wie b, aber Schleim 5 s mit U/min in einem Küchenmixer gerührt a b c

21 Fallversuche zum Fischschleieffekt

22 Turbulenzdämpfung durch fischschleimähnliche Substanz in einer Kanalströmung (H = Kanalhöhe)

23 Additivtechnik Adhäsionstechnik Der Fisch sondert laufend Schleim ab (vielleicht nur beim Jagen oder auf der Flucht) und hüllt sich so in eine Additiv-Wolke ein Die Fädchenmoleküle des Fischschleims haften an der Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell

24 Hai-Schuppen 0,5 mm

25 B ECHERT s Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal S = 3,5 · *

26 = lokale Wandschubspannung w = Dicke der laminaren Unterschicht * Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s, * = 0,028 mm S = 3,5 · * = 0,10 mm Lauflänge x = 1 m, wasser = 1·10 -6 m 2 /s

27 Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

28 Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

29 Aufbau der Schuppen eines Hais

30 Schuppen des großen weißen Hais Genaue Imitation der Haischuppen (Reibungsverminderung 3,5%

31 Rippenstruktur der Federn eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

32 Schlingernde Strömungsstreifen (= Längswirbel) während eines Wüstensturms Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen

33 Mikroblasen-Schl eier an einem schnell schwimmenden Pinguin Eisscholle

34 Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser = Frequenz der strö- menden Luftbläschen = Zähigkeit des Wassers w = Wandschub- spannung am Messort

35 Ende


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