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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten 2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten c w Min Max

3 Flossenpropeller - Forelle

4 Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel 0,15 s 2,6 m/s Startbeschleunigung 5g

5 Nicht so … sondern so Wie entsteht der Schub einer Fischflosse Auftrieb

6 Vortrieb durch Auftrieb W A v Auftriebstheorie von Heinrich Hertel v v H. Hertel (1901–1982)

7 Auftrieb Schub Bei Vorwärtsbewegung Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Schräganströmung durch Bewegung nach oben

8 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

9 Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

10 Wirbel- Ringe Wirbel- Spule Wirbel- Faltblatt Schub erzeugende Wirbelsysteme

11 Ringwirbelstraße einer Qualle Nicht ganz richtig !

12 Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

13 Wirbelbild Delfinflosse

14 Forschungshütte der Bionik und Evolutionstechnik in der Antarktis

15 King George Island South Shetlands, Antarktis Pinguin im Schwimmkanal Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen Beschleunigungssensoren Kabel

16 Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings Wirbelring Pinguin im Schwimmkanal Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch

17 Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur Schub Wirbelringe CFD

18 Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ? ?

19 Zurück zum technischen Propeller

20 Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers Antriebsleistung: Vortriebsleistung: Vortriebswirkungsgrad: S S Der Propeller bewegt sich mit v 0 durch die Luft Siehe Betz in BERWIAN-Vorlesung Strömungspfropfen Möglichst klein

21 Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube kleine Luftbeschleunigung hoher Wirkungsgrad

22 Die Caravelle Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980) Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit sehr klein

23 Schaumschläger Ein unmöglicher Antrieb Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika

24 Der Trick der Natur die Strömung an der richtigen Stelle anzutreiben Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

25 Das Propeller-Sieb-Modell Sieb Propeller

26 Die Euro-Frage: Ist aus energetischer Sicht: a besser als b b besser als a a so gut wie b ? Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden v b v a Sieb

27 Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel a b Für c w = 0,5 v v v v a b L L S 2 S ,1 a b L L w w c c a b L L Sieb v v v S v S v P v 0 0 v 0

28 Schub des Propellers: Widerstand des Siebes: Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: vv S v P v 0 0 Bedingung: F = F = F S P F S F P

29 Schub des Propellers: Widerstand des Siebes: Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung: v0v0 vSvS vPvP F S F P Bedingung: F = F = F S P

30 Leistungsverhältnis: 1,01, ,20 0,61,43 0,41,68 0, ,41 S 0 N H v v L L

31 Nebeneinander Test im Windkanal und hintereinander Propeller-Sieb-Modell hat die Theorie bestätigt

32 Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum Im Raum zurückgelassene Geschwindigkeiten Anschauliche Interpretation des Ergebnisses

33 Integrale Antriebe in der Natur Fisch Vogel Paramecium Qualle Manta Aal

34 Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet (NASA-Studie)

35 Strömungseintritt und Beschleunigung Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht Ringwirbel Helmholtzscher Wirbelsatz: Es können nur entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren !

36 Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen

37 Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

38 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

39 Unterdruck Zentrifugiertes Strömungsteilchen Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche Saugwirkung eines Wirbels Durch fehlende Zentrifugalkraft wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

40 Grenzschicht- Sammlung in einem Wirbel Vortex Generatoren Tusche

41 Lernen vom fliegenden Fisch

42 Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

43 Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs Schub S Für

44 Pelican Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing Spannweite 152 m, Länge 109 m Reichweite km bei einer Flughöhe von 6 m Anstatt von der nachgiebigen Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug vom härteren Wasser abstoßen !

45 Der Schienenzepp von Franz Kruckenberg Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden ! 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.

46 Ende


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