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Veröffentlicht von:Agnethe Wels Geändert vor über 10 Jahren
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PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“ Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Nachträge
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Wasserläufer (Gerris lacustris.)
1,5 m/s Wasserläufer (Gerris lacustris.) Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?
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Auch Spinnen können übers Wasser laufen
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Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge
Original Robostrider (MIT) Wirbelbild der Fortbewegung B. Chan, D. Hu Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge
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Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität
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Beinhaare mit Nano-Rillen
Wasserläufer Beinhaare mit Nano-Rillen Nano-Rillen Xuefeng Gao & Lei Jiang, Beijing 20 μm 200 nm
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Entwurf einer Wasserlaufmaschine
2 cm 20 m Biologisches Vorbild Technische Nachahmung Entwurf einer Wasserlaufmaschine
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Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert
Bionik ist Quatsch ?
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Es gilt: Geometrische Ähnlichkeit zwischen biologischem Vorbild und technischer (Groß-)Ausführung ist zwar eine notwendige aber keine hinreichende Bedingung für gleiche physikalische Vorgänge.
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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 !
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Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
Oberflächenkraft Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Gewichtskraft Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
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Dynamische Ähnlichkeitskennzahlen:
Eötvös-Zahl (Gewichtkräfte – Oberflächenspannung) (Trägheitskräfte – Oberflächenspannung) Weber-Zahl Cauchy-Zahl (Trägheitskräfte – Elastische Kräfte) Froude-Zahl (Trägheitskräfte – Gewichtskräfte) Reynolds-Zahl (Trägheitskräfte – Reibungskräfte)
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Ähnlichkeitskennzahlen im Internet
Abbesche Zahl (V) Archimedes-Zahl (Ar) Arrhenius-Zahl (γ) Atwood-Zahl (At) Begasungszahl (NB) Biot-Zahl (Bi) Bodenstein-Zahl (Bo) Bond-Zahl (Bo) Brinkmann-Zahl (Br) Cauchy-Zahl (Ca) Colburn-Zahl (J) Damköhler-Zahl (Da) Dean-Zahl (De) Deborah-Zahl (De) Eckert-Zahl (Ec) Ekman-Zahl (Ek) Elsasser-Zahl Eötvös-Zahl (Eo) Ericksen-Zahl (Er) Euler-Zahl (Eu) Fourier-Zahl (Fo) Froude-Zahl (Fr) Galilei-Zahl (Ga) Graetz-Zahl (Gz) Grashof-Zahl (Gr) Hagen-Zahl (Hg) Hatta-Zahl (Ha) Helmholtz-Zahl (He) Jakob-Zahl (Ja) Kapillarzahl Karlovitz-Zahl (Ka) Kavitationszahl Keulegan-Carpenter-Zahl (KC) Knudsen-Zahl (Kn) Laplace-Zahl (La) Lewis-Zahl (Le) Ljascenko-Zahl (Lj) Mach-Zahl (Ma) Marangoni-Zahl (Mg) Markstein-Zahl Morton-Zahl (Mo) Nahme-Zahl (Na) (auch Griffith Zahl) Newton-Zahl (Ne) Nusselt-Zahl (Nu) Ohnesorge-Zahl (Oh) Péclet-Zahl (Pe) Phasenübergangszahl (Ph) Prater-Zahl (β) Prandtl-Zahl (Pr) Rayleigh-Zahl (Ra) Reynolds-Zahl (Re) Richardson-Zahl Rossby-Zahl (Ro) Schmidt-Zahl (Sc) Sherwood-Zahl (Sh) Siedekennzahl (Bo, boiling number) Stanton-Zahl (St) Stefan-Zahl (Ste, Kehrwert von Ph) Stokes-Zahl (St) Strouhal-Zahl (Sr) Taylor-Zahl (Ta) Thiele-Modul (φ) Thring-Zahl Weber-Zahl (We) Weisz-Modul (Φ) Weissenberg-Zahl (Ws) Ähnlichkeitskennzahlen im Internet
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Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit
Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl Strömungsmedium: Dichte r Zähigkeit m Kinematische Zähigkeit y v = 0 n wasser = 1·10-6 m2/s n luft = 15·10-6 m2/s Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Reynoldszahl
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Strömungsphysik (Reynoldszahl)
Größe Airbus 380 Andere Strömungsphysik andere Lösungen ! Libelle Federflügler 0,25 mm Strömungsphysik (Reynoldszahl)
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Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8
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Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6
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Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10 4
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Saalflugmodell Mikro Air Vehikel Re = 4 ·10 3
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Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5
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Re Reynoldszahl und Flügelprofil 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3
Verkehrsflugzeug Re Reynoldszahl und Flügelprofil 10 7 10 6 Segelflugzeug a b 10 5 c d A2-Flugmodell a Adler b Bussard c Habicht d Sperber 10 4 Saalflugmodell 10 3
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Die 7 Denkschritte in der Bionik
1 Biologisches Funktionsprinzip Fb 2 Technisches Funktionsprinzip Ft schwache Regel sein FuRaGü soll eine stopp Fb ähnlich Ft ? nein ja 3 Biologische Randbedingungen Rb 4 Technische Randbedingungen Rt stopp Rb ähnlich Rt ? nein ja 5 Biologisches Gütekriterium Gb Die 7 Denkschritte in der Bionik 6 Technisches Gütekriterium Gt stopp Gb ähnlich Gt ? nein ja 7 Nutzung der evolutiven Lösung
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Fb = Schmetterlingsschuppen
Ft = Dachziegel Fb ≠ Ft Fb Ft Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik
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Rb = Flügelprofil Vogel
Storch Rb Rb = Flügelprofil Vogel Adler Rt = Flügelprofil Flugzeug Flugzeug NACA Rb ≠ Rt Rt Wegen Reynoldszahl Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik
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Gb = Mohnkapsel Gt = Salzstreuer Gb ≠ Gt Gb Gt Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik
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Trivial-Bionik 1
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Trivial-Bionik 2
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Trivial-Bionik 3
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Trivial-Bionik 4
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Trivial-Bionik 5
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Trivial-Bionik 6
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Trivial-Bionik 7
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Trivial-Bionik 8 Delfin-Schnauze Schiff-Bugwulst
Die Unterwassernase erzeugt ein zweites Wellensystem, das die Bugwelle durch Interferenz verkleinert. Delfin-Schnauze Trivial-Bionik 8 Schiff-Bugwulst
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Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten
50 μm Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten
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Claus Mattheck Claus Mattheck Trivial-Bionik 10
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1. Nachtrag: Weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution
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Mimese Imitation von Tieren Zoomimese Pflanzen oder Pflanzenteilen
Phytomimese Leblosen Gegenständen Allomimese
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Dornzikaden an einem Rosenstamm
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Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem
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å y y ) ( ® - y Minimum x Ur- Problem der Kurvenanpassung soll ist 2
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Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf ! Die Thailändische Langkopfzirpe
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Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter
Mondvogel (Phalera bucephala) Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter
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Kopf Rechte Flügelspitze Lonomia Motte Linke Flügelspitze
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Blatt-Mimese eines Baumfrosches
im peruanischen Regenwald
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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. Samurai-Maske
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Foto: Ingo Rechenberg Wo ? Verborgen im Saharasand
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Optimalkonstruktion Facettenauge
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Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege
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Optimalkonstruktion Facettenauge
Optimierungsproblem: Das Facettenauge soll einen möglichst kleinen optischen Auflösungswinkel a 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 j nicht größer als a /2 sein (Rayleighsches Kriterium): Optische Grenze Konstruktive Grenze
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Unimodale und multimodale Optimierung
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unimodal multimodal
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Multimodale Optimierung
in der Natur
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Zwei Lösungen der Evolution
Komplexauge Linsenauge
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Multimodalität der Augen-Evolution
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Unimodale Optimierung
in der Natur
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Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)
Beutelmaus Die parallele Maus in der Evolution
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In Australien Unimodale Evolution (Optimierung) Beutelratte Beutelhund
Beutelbär Australien Beuteligel Beutelmaulwurf Unimodale Evolution (Optimierung)
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Beutelmensch
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Das „bessere Auge“ des Octopus
Octopus: Nerven hinter der Netzhaut Wirbeltier: Nerven vor der Netzhaut (Fehlkonstruktion)
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Parallelevolution - Grundlage der Bionik
Sandfisch Sandschleiche Sandboa Parallelevolution Grundlage der Bionik
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2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile
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Kühlung ? 70° C
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Mittags: Lufttemperatur 45° C
Boden 70° C
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Temperatur Wüstenboden: 70°C Temperatur Koloquintenblatt: 35°C
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Kalte Spiegelglasscheibe
Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration
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° Transpirationskühlung von Koloquintenblättern ] C [ r u t a r e p m
60 ] 55 C [ r 50 u t a r e 45 p m e 40 T 35 30 10 12 14 16 18 20 h Transpirationskühlung von Koloquintenblättern Lange O.L . (1959). Untersuchungen über Wärmehaushalt und Hitzeresistenz mauretanischer Wüsten- und Savannenpflanzen. Flora 147,
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Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe
H2O Spaltöffnung Wasserhäutchen Oberflächenspannung 150 m 9 m Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe H2O
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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 Transparente Hülle Koloquintenblatt Althawadi A. M. and Grace J. (1986). Water use by the desert cucurbit Citrullus colocynthis. Oecologia (Berlin) 70, 475 – 489
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Geerntetes Transpirationswasser eines Tages
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BionischeTranspirationspumpe Primitiver Nachbau
Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm
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Eine Eiche mit 12 m Kronendurchmesser verdunstet pro Tag:
400 Liter Wasser !
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Eine „Wüsteneiche“ mit 12m Kronendurchmesser würde unter Wärmestress pro Tag
2500 Liter Wasser transpirieren Transparenter Ballon
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Bionik-Pumpe Nachgebildetes Pflanzenblatt Vakuumdämmung Solarabsorber Spezialglas Rückgewinnung der Kondensationswärme Nachgebildete Spaltöffnungen Pro Tag geerntetes Reinstwasser: Bis zu 30 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche Aus dem Wüstenboden
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Astragalus trigonus
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Restfeuchte im Ton
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Vorbild Natur Nachbildung Technik
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Ende
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