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

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

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

3 Auch Spinnen können übers Wasser laufen

4 Robostrider (MIT) Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge Wirbelbild der Fortbewegung B. Chan, D. Hu Original

5 Wasserläufer-Roboter, entwickelt an der Carnegie Mellon Universität

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

7 2 cm 20 m Biologisches Vorbild Technische Nachahmung Entwurf einer Wasserlaufmaschine

8 Bionik ist Quatsch ? Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert

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

10 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 !

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

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

13 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

14 Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Reynoldszahl Strömungsmedium: Dichte Zähigkeit Kinematische Zähigkeit y v = 0 Anschauliche Ableitung der Reynoldschen Kennzahl wasser = 1·10 -6 m 2 /s luft = 15·10 -6 m 2 /s

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

16 Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

17 Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

18 Flugmodell Zahnstocher Re = 8 ·10 4

19 Saalflugmodell Re = 4 ·10 3 Mikro Air Vehikel

20 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

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

22 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

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

24 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 Wegen Reynoldszahl

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

26 Trivial-Bionik 1

27 Trivial-Bionik 2

28 Trivial-Bionik 3

29 Trivial-Bionik 4

30 Trivial-Bionik 5

31 Trivial-Bionik 6

32 Trivial-Bionik 7

33 Trivial-Bionik 8 Schiff-Bugwulst Delfin-Schnauze Die Unterwassernase erzeugt ein zweites Wellensystem, das die Bugwelle durch Interferenz verkleinert.

34 Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik ? - Darüber wird noch gestritten 50 μm

35 Trivial-Bionik 10 Claus Mattheck

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

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

38 Dornzikaden an einem Rosenstamm

39 Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem

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

41 Die Thailändische Langkopfzirpe Hier ist der Kopf !

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

43 Lonomia Motte Kopf Rechte Flügelspitze Linke Flügelspitze

44 Blatt-Mimese eines Baumfrosches im peruanischen Regenwald

45 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.

46 Verborgen im Saharasand Foto: Ingo Rechenberg Wo ?

47 Optimalkonstruktion Facettenauge

48 Konstruktion eines Facettenauges Stubenfliege

49 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

50 Unimodale und multimodale Optimierung

51 unimodal multimodal

52 Multimodale Optimierung in der Natur

53 Komplexauge Linsenauge Zwei Lösungen der Evolution

54 Multimodalität der Augen-Evolution

55 Unimodale Optimierung in der Natur

56 Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)

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

58 Beutelmensch

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

60 Sandfisch Sandschleiche Sandboa Parallelevolution - Grundlage der Bionik

61 2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile

62 Kühlung ? 70° C

63 Mittags: Lufttemperatur 45° C Boden 70° C

64 Temperatur Wüstenboden: 70°C Temperatur Koloquintenblatt: 35°C

65 Kalte Spiegelglasscheibe Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration

66 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,

67 H2OH2O H2OH2O Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe Spaltöffnung 9 m Wasserhäutchen Oberflächenspannung 150 m

68 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

69 Geerntetes Transpirationswasser eines Tages

70 BionischeTranspirationspumpe Primitiver Nachbau Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm

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

72 Eine Wüsteneiche mit 12m Kronendurchmesser würde unter Wärmestress pro Tag 2500 Liter Wasser Transparenter Ballon transpirieren

73 Pro Tag geerntetes Reinstwasser: Bis zu 30 Liter pro Quadratmeter künstlicher Blattoberfläche Rückgewinnung der Kondensationswärme Nachgebildete Spaltöffnungen Nachgebildetes Pflanzenblatt Aus dem Wüstenboden Bionik-Pumpe Vakuumdämmung Solarabsorber Spezialglas

74 Astragalus trigonus

75 Restfeuchte im Ton

76 Vorbild Natur Nachbildung Technik

77 Ende


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