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

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung Bionik I Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Nachträge Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

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

3 Robostrider Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge Wirbelbild der Fortbewegung B. Chan, D. Hu Original

4 Wasserläufer Beinhaare mit Nano-Rillen Nano-Rillen 200 nm 20 μm Xuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing

5 2 cm 20 m Biologisches Vorbild Technische Nachahmung Entwurf einer Wasserlaufmaschine

6 Bionik ist Quatsch ? Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert

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

8 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 !

9 Oberflächenkraft Gewichtskraft Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung

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

11 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

12 Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Reynoldszahl Strömungsmedium: Dichte Zähigkeit Kinematische Zähigkeit y v = 0

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

14 Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

15 Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

16 Flugmodell Zahnstocher Re = 8 ·10 4

17 Saalflugmodell Re = 4 ·10 3 Mikro Air Vehikel

18 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

19 Verkehrsflugzeug Segelflugzeug A2-Flugmodell Saalflugmodell a b c d a Adler b Bussard c Habicht d Sperber Re Reynoldszahl und Flügelprofil

20 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

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

22 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

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

24 Trivial-Bionik 1

25 Trivial-Bionik 2

26 Trivial-Bionik 3

27 Trivial-Bionik 4

28 Trivial-Bionik 5

29 Trivial-Bionik 6

30 Trivial-Bionik 7

31 Trivial-Bionik 8 Schiff-Bugwulst Delfin-Schnauze

32 Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik 9 50 μm

33 Trivial-Bionik 10 Claus Mattheck

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

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

36 Dornzikaden an einem Rosenstamm

37 Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem

38 Minimum 2 istsoll )( x yy Problem der Kurvenanpassung soll y ist y Ur-

39 Die Thailändische Langkopfzirpe Hier ist der Kopf !

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

41 Lonomia Motte Kopf Rechte Flügelsptze Linke Flügelspitze

42 Blatt-Mimese eines Baumfrosches im peruanischen Regenwald

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 Optimalkonstruktion Facettenauge

46 Konstruktion eines Facettenauges Stubenfliege

47 Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel haben: Konstruktive Grenze: Um die Objekte A und B voneinander getrennt zu unterscheiden muss gelten: Optische Grenze: Licht wird an kleinen Öffnungen gebeugt. Um A und B getrennt zu detektieren darf der Beugungswinkel nicht größer als /2 sein (Rayleighsches Kriterium): Optimalkonstruktion Facettenauge Konstruktive Grenze Optische Grenze

48 Unimodale und multimodale Optimierung

49 unimodal multimodal

50 Multimodale Optimierung in der Natur

51 Komplexauge Linsenauge Zwei Lösungen der Evolution

52 Multimodalität der Augen-Evolution

53 Unimodale Optimierung in der Natur

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

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

56 Beutelmensch

57 Das bessere Auge des Octopus Octopus: Nerven hinter der Netzhaut Wirbeltier: Nerven vor der Netzhaut (Fehlkonstruktion)

58 2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

59 Wasserhaushalt ? Erg Chebbi August 2008

60 Eine Eiche mit 12 m Kronendurchmesser verdunstet pro Tag: 400 Liter Wasser !

61 Mittags: Lufttemperatur 45° C

62 Temperatur Wüstenboden: 68°C Temperatur Koloquintenblatt: 33°C

63 Kalte Spiegelglasscheibe Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

64 h T e m p e r a t u r [ C ] ° Transpirationskühlung von Koloquintenblättern Lange O.L. (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147,

65 H2OH2O H2OH2O Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe 150 m Stoma

66 Transpirationsrate (Wüste Saudi Arabien): 0,13 – 0,17 g m -2 s -1 = 0,47 - 0,61 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde Transpirationsrate unter Wärmestress: 0,6 g m -2 s -1 = 2,2 Liter Wasser pro Quadratmeter und Stunde Koloquintenblatt Althawadi A. M. and Grace J. (1986). Water use by the desert cucurbit Citrullus colocynthis. Oecologia (Berlin) 70, 475 – 489 Transparente Hülle

67 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

68 BionischeTranspirationspumpe Primitiver Nachbau Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm

69 Eine Wüsteneiche mit 12m Kronendurchmesser würde pro Tag 2500 Liter Wasser Transparenter Ballon transpirieren

70 Entwurf einer bionischen Transpirationspumpe

71 Ende


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