PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik I“ Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren 1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten cw → Min 2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten h → Max

Flossenpropeller - Forelle

Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel Startbeschleunigung 5g 2,6 m/s 0,15 s Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel

Wie entsteht der Schub einer Fischflosse Auftrieb Nicht so … sondern so

v v v A W Vortrieb durch Auftrieb Auftriebstheorie von Heinrich Hertel

Schuberzeugung einer Fischflosse Delfin schwimmt nach oben Schuberzeugung einer Fischflosse Demonstration der Hertelschen Auftriebstheorie Anstellwinkel

Bei Vorwärtsbewegung Schub Auftrieb (Hier Aufwärtsbewegung !) Schräganströmung durch Bewegung nach oben Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht Bei Vorwärtsbewegung (Hier Aufwärtsbewegung !)

Wirbeltheorie von W. Liebe Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Wirbeltheorie von W. Liebe Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 (Flexible Flosse, Ansicht von oben)

Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

Schub erzeugende Wirbelsysteme Wirbel- Ringe Schub erzeugende Wirbelsysteme Wirbel- Spule Wirbel- Faltblatt

Ringwirbelstraße einer Qualle Nicht ganz richtig ! Siehe weiter unten ! Ringwirbelstraße einer Qualle

Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

Wirbelbild Delfinflosse Wirbelspule ?

Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

South Shetlands, Antarktis Beschleunigungssensoren Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen Kabel Pinguin im Schwimmkanal King George Island South Shetlands, Antarktis

Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch 1 Pinguin im Schwimmkanal Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch 2 Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet Wirbelring 3 Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings

eine Wirbelfaltstruktur Schub Wirbelringe CFD Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur

? Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?

Wirbelring im Wirbelring ? Nature 430, 850 (19 August 2004) C. D. Wilga & G. V. Lauder Biomechanics:  Hydrodynamic function of the shark's tail

Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Zackenband am Rumpfende des Tunfischs ? Nasenband Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat das Nasenband an der Flossenvorderkante des Buckelwals ?

CFD Rechnungen und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenband

Flossenboote

Zurück zum technischen Propeller

Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers Strömungspfropfen Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung S S Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft Vortriebsleistung: Antriebsleistung: Vortriebswirkungsgrad: Möglichst klein Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers

→ kleine Luftbeschleunigung Muskelkraftflugzeug Hallenflugmodell Große Luftschraube → kleine Luftbeschleunigung → hoher Wirkungsgrad

Die Caravelle h sehr klein Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)

Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Schaumschläger Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika Ein unmöglicher Antrieb

Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand Der Trick der Natur die Strömung an der richtigen Stelle anzutreiben Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand

Das Propeller-Sieb-Modell

? a b v v Das Propeller-Sieb-Modell Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden Die 1 000 000-Euro-Frage: Ist aus energetischer Sicht: „a“ besser als „b“ „b“ besser als „a“ „a“ so gut wie „b“ Sieb ? Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel

a v v v v c b 1 2 L L 1 L - + = 1 30 , 1 = L v v v + - = + v v v v Sieb a v 2 v v v æ ö 1 + 2 - ç S ÷ S L v è ø b = v L + a 1 S v w c a b L - + = 1 30 , 1 = a b L Für cw = 0,5 v v b P Das Propeller-Sieb-Modell von Heinrich Hertel v v S

v v v v F Schub des Propellers: F Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v v F S P Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v v Bedingung für stationäre Bewegung: S Bedingung: F = F = F S P Erforderliche Propellerleistung:

v0 vS vP F F Schub des Propellers: Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre v0 vS vP Bedingung: F = F = F S P Bedingung für stationäre Bewegung: Erforderliche Propellerleistung:

Leistungsverhältnis: 1,0 1,00 0.8 1,20 0,6 1,43 0,4 1,68 0,2 2.00 2,41 v L L S N H

Propeller-Sieb-Modell Nebeneinander und hintereinander Test im Windkanal hat die Theorie bestätigt

Anschauliche Interpretation des Ergebnisses Im Raum zurückgelassene Geschwindigkeiten Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum

Integrale Antriebe in der Natur Vogel Fisch Paramecium Aal Qualle Manta

Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet (NASA-Studie)

Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Strömungseintritt und Beschleunigung Helmholtzscher Wirbelsatz: Es können nur entgegengesetzt drehende Wirbelpaare existieren ! Ringwirbel Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ? Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung über einen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht

Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

1 2 3 4 5 6 Wirbeltheorie von W. Liebe Umströmung der Flossenhinterkante 1 Ausbildung eines Hinterkantenwirbels 2 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel 3 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert 4 Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 6 Wirbeltheorie von W. Liebe

Saugwirkung eines Wirbels Unterdruck Zentrifugiertes Strömungsteilchen Saugwirkung eines Wirbels Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche Durch fehlende Zentrifugalkraft wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt

Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Vortex Generatoren Tusche Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel Randwirbel

Lernen vom fliegenden Fisch

Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs Schub S Für

Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen. Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug besser vom „härteren“ Wasser abstoßen !

Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing „Pelican“ Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing Spannweite 152 m, Länge 109 m Reichweite 16 000 km bei einer Flughöhe von 6 m

Der Schienenzepp von Franz Kruckenberg fuhr am 21. Juni 1931 in 98 Minuten von Hamburg-Bergedorf nach Berlin Spandau und hielt 24 Jahre den Geschwindigkeits-rekord von 230 km/h. Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !

Ende www.bionik.tu-berlin.de