PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung „Bionik I“ Pseudobionik kontra wissenschaftliche Bionik Die 7 Denkschritte der Bionik Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Wasserläufer (Gerris lacustris.)
Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?

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

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

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

6

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 Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Gewichtskraft

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

11 y konst Reynoldszahl r m Strömungsmedium: Dichte Zähigkeit
Kinematische Zähigkeit konst Reynoldszahl

12 Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8

13 Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6

14 Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10 4

15 Saalflugmodell Re = 4 ·10 3

16 Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5

17 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

18 Die 7 Denkschritte in der Bionik
1 Biologisches Funktionsprinzip Fb 2 Technisches Funktionsprinzip Ft FuRaGü soll eine schwache Regel sein 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

19 Fb = Schmetterlingsschuppen
Ft = Dachziegel Fb ≠ Ft Fb Ft Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik

20 Rb = Flügelprofil Vogel
Storch Rb Rb = Flügelprofil Vogel Adler Rt = Flügelprofil Flugzeug Flugzeug NACA Rb ≠ Rt Rt Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Randbedingungen in Biologie und Technik

21 Gb = Mohnkapsel Gt = Salzstreuer Gb ≠ Gt Gb Gt Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik

22 Trivial-Bionik 1

23 Trivial-Bionik 2

24 Trivial-Bionik 3

25 Trivial-Bionik 4

26 Trivial-Bionik 5

27 Trivial-Bionik 6

28 Trivial-Bionik 7

29 Claus Mattheck Claus Mattheck Trivial-Bionik 8

30 Nachtrag: Zwei weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution

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

32 Dornzikaden an einem Rosenstamm

33 å y y ) ( ® - y Minimum x Problem der Kurvenanpassung soll ist 2 ist

34 Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf ! Die Thailändische Langkopfzirpe

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

36 Kopf Rechte Flügelsptze Lonomia Motte Linke Flügelspitze

37 Blatt-Mimese eines Baumfrosches
im peruanischen Regenwald

38 Verborgen im Saharasand
Foto: Ingo Rechenberg Verborgen im Saharasand

39 Optimalkonstruktion Facettenauge

40 Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege

41 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):

42 Ende