PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“ Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik I“ Methoden der Widerstandverminderung in der Natur Wie schnelle Wassertiere Energie sparen Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Fünf Methoden der Widerstandsverminderung 1. Tunfisch/Pinguin-Form zur Grenzschicht-Laminarerhaltung 2. Delfinhaut zur Dämpfung von laminaren Grenzschichtwellen 3. Fischschleim zur Dämpfung turbulenter Mikrowirbel 4. Haifisch-Schuppenrillen zur Minderung des Strömungsschlingerns 5. Pinguin-Federkleid als Luftspeicher zur Mikroblasen-Ejektion

Widerstand in Reinstform a) Druck- oder Formwiderstand b) Reibungswiderstand

Theorie – Reibungswiderstand Für den Reibungsbeiwert gelten die Formeln: Theorie – Reibungswiderstand

Theorie Reibungswiderstand Mit dem Dickerwerden der Grenz-schicht stromab verringert sich die lokale Reibung. Der auf die Fläche bezogene Reibungsbeiwert sinkt. U-Punkt

Rohrströmung Entdeckung der laminaren und turbulenten Strömungsform durch Osborne Reynolds (1883)

Phänomen: Umschlag laminar/turbulent Instabilitätspunkt Re = 1,1·105 Umschlagpunkt Re = 3·106 Schwingendes Band REYNOLDSzahl: Hitzdrahtanemometer Phänomen: Umschlag laminar/turbulent

destabilisierend stabilisierend Eine beschleunigte Strömung macht ein Strömungsprofil konvexer und wirkt so stabilisierend

Pinguin-Form

Rumpfkörper in Biologie und Technik Geschwindigkeitsverteilung Tunfisch Pinguin Laminarspindel Theorie Delfin Rumpfkörper in Biologie und Technik

Evolutionsstrategisch optimierte Luftschiffkörper T. Lutz, Stuttgart

Delfin-Haut

Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER) a: 0,2 mm glatter Film b: 0,5 mm gummiartig c: 0,5 mm f lüssig / filzig d: ledrig Interpretation der Hautschichten: Film für glatte Oberfläche b) Elastische Membran c) Flüssigkeits-Dämpfung d) Schutzhaut Aufbau einer Delfinhaut (nach M. O. KRAMER)

Technische Nachbildung der Delfinhaut

Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut Bester Messwert von M. O. KRAMER für eine Federsteifigkeit der Haut von 220 N/cm2 c f = 0,003 Re = 1,5·107 Kramer-Punkt Reibungswiderstand – künstliche Delfinhaut

M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Literatur: M. O. Kramer: Widerstandsverminderung mittels künstlicher Delphinhaut. Jahrbuch der WGLR 1969. Vieweg-Verlag, Braunschweig 1970.

Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt Pendel Viskoelastische Flüssigkeit Gedankenexperiment zum Delfinhaut-Effekt

Fischleim zur Wirbeldämpfung

11,5 ppm (parts per million) Schleimsubstanz Rosen/Cornford 1971

a b c a) Farbwasser in klares Wasser. Injektion gemäß linkem Versuchsaufbau b) Farbwasser mit 20 ppm Schleim in klares Wasser mit 20 ppm Schleim c) Wie b, aber Schleim 5 s mit 18800 U/min in einem Küchenmixer gerührt

Fallversuche zum Fischschleieffekt

Turbulenzdämpfung durch fischschleimähnliche Substanz in einer Kanalströmung (H = Kanalhöhe)

Additivtechnik Adhäsionstechnik Der Fisch sondert laufend Schleim ab (vielleicht nur beim Jagen oder auf der Flucht) und hüllt sich so in eine Additiv-Wolke ein Adhäsionstechnik Die Fädchenmoleküle des Fischschleims haften an der Körperoberfläche und bilden so ein dämpfendes Molekülfell

0,5 mm Hai-Schuppen

BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal S = 3,5 ·d * BECHERTs Rillen-Experimente im Berliner Ölkanal

d * = Dicke der laminaren Unterschicht t w = lokale Wandschubspannung Auslegung der Rillenfolie für ein Surfbrett Gleitgeschwindigkeit v = 5 m/s, Lauflänge x = 1 m, n wasser = 1·10-6 m2/s d * = 0,028 mm S = 3,5 ·d *= 0,10 mm

Reklame für einen bionischen Schwimmanzug

Aufbringen einer Haifisch-Rillenfolie auf einen Airbusflügel

Aufbau der Schuppen eines Hais

Schuppen des großen weißen Hais Genaue Imitation der Haischuppen (Reibungsverminderung 3,5%

Rippenstruktur der Federn eines Kolibris Rillenstruktur der Rumpffedern eines Zügelpinguins

Schlingernde Strömungsstreifen (= Längswirbel) während eines Wüstensturms Dämpfung der Schlingerbewegung durch Rillen

Mikroblasen-Schl eier an einem schnell schwimmenden Pinguin Eisscholle Mikroblasen-Schl eier an einem schnell schwimmenden Pinguin

Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser w = Frequenz der strö-menden Luftbläschen m = Zähigkeit des Wassers w = Wandschub- spannung am Messort Widerstandsverminderung durch Mikro-Luftblasen im Wasser

Ende