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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel Weiterverwendung nur unter.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Otto Lilienthal am 16. August 1894: Sein Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden

3 Rumpf ! Flügel vorn ! Leitwerk hinten ! Lösung der Ingenieure nach 100 Jahren Flugzeugentwicklung Lösung der biologischen Evolution Seeschwalbe Foto: Ingo Rechenberg

4 Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung

5 Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

6 Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

7

8 Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

9 2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung). 1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein. Dagegen spricht: Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb !

10 Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ? Unterdruck Das Strömungsteilchen wird durch Unterdruck auf der Profiloberseite am zentrifugalen Wegfliegen gehindert.

11 Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! GeschwindigkeitsfeldFormel von Kutta/Joukowsky A r v Flügelspannweite Zirkulation v

12 Anfahrwirbel und gebundener Wirbel (Zirkulation) an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel Anfahrwirbel Zirkulation

13 Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ? Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel.

14 Randwirbel = Auftriebsstrahl !

15 Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand. Nach Ludwig Prandtl Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

16 Längsauftrennung des Flügels

17 Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand Vorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel

18 Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

19 Randwirbel am Normalflügel Randwirbel am Spreizflügel Formation einer strömungs- beschleunigenden Wirbelspule Doppeldeckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts

20 Nachevolution im Windkanal (Neobionik) Neue Generation c a - c w - Messung Flexible Bleistreifen Nachkommen realisieren Eltern eingeben Nachkommen bewerten

21 Generation Evolution eines Spreizflügels im Windkanal

22 Spreizflügel versus Normalflügel 0188,0 min 3 2 a w c c 0216,0 min 3 2 a w c c Diplomarbeit: Michael Stache

23 Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

24 Evolutions- Wettkampf ? ?

25 Für den Vogel ohne Spreizung Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel mit Spreizung Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F = 0,2 m 2 g = 9,81 m/s 2 = 1,1 kg/m 3 Daten für Bussard

26 Evolutions- Wettkampf 13 min 33 sec14 min 30 sec

27 Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug Foto: Michael Stache

28 Flugmessungen an einem Segelflugzeug

29 Vorstufe des Spreizflügels des Vogels Winglets Boeing C-17 A Globemaster III

30 Winglets am Segelflugzeug

31 Vom gespreizten Vogelflügel Schlaufenflügel zum Louis B. Gratzer

32 Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

33 Doppelwinglet: Auf dem Weg zum Vogelflügel

34 Multidecker von Horatio F. Philipps (1904)

35 Studenten-Praktikum am Storchenflügel

36 Pilotenfehler löste Birgenair-Unglück aus Berlin (dpa). Ein Pilotenfehler soll den Ab- sturz der türkischen Birgenair-Maschine am 6. Februar vor der Dominikanischen Repu- blik ausgelöst haben. Wie der Fernsehsender Sat.1 am Sonntag mitteilte, komme der ab- schließende Unfallbericht der dominikani- schen Luftaufsichtsbehörde zu dem Schluss, dass die Piloten auf zwei unterschiedlichen Warnungen nach dem Start nicht entspre- chend reagiert hätten. Eine falsche Ge- schwindigkeitsanzeige soll sie verwirrt ha- ben. Zwar seien die Piloten genügend aus- gebildet gewesen. Aber sie hätten nicht über ein ausreichendes Training verfügt. Absturz durch Strömungsablösung

37 Forschungsziel für ein absturzsicheres Flugzeug

38 ? ? ? Braun-Skua in der Antarktis

39 Entstehung einer Ablösung Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst. Zusätzlich wird es vom Unterdruck vorn an der Profiloberseite angesaugt. Das Strömungsteilchen kommt am Punkt A zum Still- stand. Die Stelle A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt. A B Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö- mungsteilchen (Bernoulli !) dem Sog des Unterdrucks. Ist die wandnahe Strömung mit klei- nen Wirbeln durchsetzt (Turbulenz), kann durch den Eintrag energiereicher Strömungsteil- chen aus der wandfernen Region die Ablösung hinausgezögert werden. Wird die Anstellung des Flügels weiter erhöht, tritt auch bei turbulenter Grenzschichtströmung Ablösung auf.

40 Wanderung der Ablösung zum Druckminimum

41 Bremsung der Ablösung durch eine Deckfeder !

42 Die flexiblen Deckfedern bilden ein Rückschlag- ventil. Rückstromtaschen öffnen sich, bevor die Strömung abreißt. Braun-Skua ? ? ? Rückstromtaschen

43 Dreifache Rückstrombremsung Braun-Skua: Ablösekontrolle

44 Der Deckfeder-Effekt

45 Braun-Skua Anordnung der Deckfedern

46 Rabengeier - Funktion der Daumenfittiche ? Daumenfittiche

47 Profilnase - Skua

48 Angriff - Hochziehende Skua Nasenklappen

49 Ende


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