PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“ Berg- und Talbahnen in der Natur Bolzenflug, Schwimmspringen und Karussellsegeln Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Bolzenflug einer Meise

3 Kräfte an einem Modell-Vogel = Flügel-Auftriebsbeiwert
= Profil-Widerstandsbeiwert mit Siehe 8. Vorlesung ! = Rumpf-Widerstandsbeiwert Antrieb

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

5 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.

6 Minimum 5,8 0,05 Abhebegeschwindigkeit eines Vogels Nicht frei !
Notwendige Flügelfläche, um überhaupt in die Luft zu kommen ! Abhebegeschwindigkeit eines Vogels 5,8 0,05 für bestes Gleiten opt a c wP L p für

7 Minimum Die genauere Betrachtung: 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 ?

8 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

9 Benzin-Hamstern auf der Zapfstraße
Ein Modell für den Zweck der Mobilität von Lebewesen 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 ? Benzinverbrauch bei 50 km / h: ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 100 km / h: 5 ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 200 km / h: 10 ℓ /100 km

10 Zur Q -Minimierung: www.bionik.tu-berlin.de/institut/bibu6.pdf
Gewinn [ℓ /h] = ( Tanken [ℓ /km] – Verbrauch [ℓ /km] )  Geschwindigkeit [km/h] Benzinverbrauch bei 50 km / h: ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 100 km / h: 5 ℓ /100 km Benzinverbrauch bei 200 km / h: 10 ℓ /100 km 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 Analoge biologische Gewinnfunktion Gewinn [kJ/h] = ( Nahrung [kJ /km] – Flugarbeit [kJ /km] )  Geschwindigkeit [km/h] Zur Q -Minimierung:

11 Schwimmspringen in der Natur
Der Delfinstil Schwimmspringen in der Natur

12 Spiel oder Energieminimierung ?

13 Steinwurf Über- und Unterwasserbahn eines Delfins

14 Annahme: Mit Annahme Kreisbahn !
Der Delfin muss in der Unterwasserphase den Eintauchwinkel a in den „Spiegelwert“ (- a ) umdrehen. Annahme: Mit

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

16 Delfine im Delfinstil

17 Foto: Ingo Rechenberg Pinguin im Delfinstil

18 Der Flug des Albatros

19 Albatros bei der unteren Kehrtwende
Foto: Ingo Rechenberg Albatros bei der unteren Kehrtwende

20 Albatros im dynamischen Segelflug
Scherprofil des Windes Albatros im dynamischen Segelflug

21 v Zum Flug des Albatros v v+ w v+ w v+2w Das Eisschollen-Bob-Modell v+2w

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

23 Dynamischer Segelflug
Prof. Dr. Gottfried Sachs

24 Mikro Flug Vehikel MAV (Micro Air Vehicle)

25 … An diesen Bienen fiel zunächst die Größe auf
… An diesen Bienen fiel zunächst die Größe auf. Sie waren zwar nicht so groß wie jene, denen Gulliver in Brodingnag begegnete und gegen die er sich mit dem Degen verteidigte, jedoch bedeutend größer, als eine Biene oder auch eine Hornisse ist. Sie hatten etwa den Umfang einer Walnuss, die noch in der grünen Schale steckt. Roman (1957) … 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 der Rauchgraue sendete.

26 Das MFI-Projekt der Universität Berkely
Ron Fearing Micromechanical Flying Insect

27 Fliege MAV mit Bioantrieb

28 5 cm Bienenelfe (Mellisuga helenae) 2 Gramm MAV Vorbild Vogel

29 Mikroflugvehikel

30 MAV - Vorbild Fledermaus

31 MicroBat (Caltech, USA)
Größe 20 cm, Gewicht 11,5 g Flugzeit 6 min 17 s (Weltrekord im Nov. 2001) MicroBat (Caltech, USA)

32 MAV Vorbild Libelle

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

34 Mikroflugvehikel

35 Mikroflugvehikel

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

37 Langsamflug-/ Indoor-MAVs können im ruhenden Luftraum von Hallen, Höhlen, Tunneln und Kanälen operieren. Im Freiland ist ihr Einsatz nur bei beruhigter Atmosphäre gegeben: 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

38 MAV-Erkundung in den Dünen

39 Instituts-MAV Haus-MAV

40 Ende