Präsentation herunterladen
Veröffentlicht von:Carl Wolfram Geändert vor über 10 Jahren
1
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 Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
2
Wasserläufer (Gerris lacustris.)
1,5 m/s Wasserläufer (Gerris lacustris.) Vorbild für eine technische Wasserlaufmaschine ?
3
Robostrider, ein künstlicher Wasserläufer von 9 cm Länge
Original Robostrider Wirbelbild der Fortbewegung B. Chan, D. Hu 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
Nein, Ähnlichkeitsgesetz ignoriert
Bionik ist Quatsch ?
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
Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
Oberflächenkraft Wasserläuferfuß Eingedellte Wasseroberfläche Gewichtskraft Stichwort für Suche im Internet: Oberflächenspannung
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
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
12
Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit
Strömungsmedium: Dichte r Zähigkeit m y Kinematische Zähigkeit v = 0 Konstant bei geometrischer Ähnlichkeit Reynoldszahl
13
Strömungsphysik (Reynoldszahl)
Größe Airbus 380 Andere Strömungsphysik andere Lösungen ! Libelle Federflügler 0,25 mm Strömungsphysik (Reynoldszahl)
14
Verkehrsflugzeug B-747 Re = 2 ·10 8
15
Segelflugzeug ASH-25 Re = 2 ·10 6
16
Flugmodell Zahnstocher
Re = 8 ·10 4
17
Saalflugmodell Mikro Air Vehikel Re = 4 ·10 3
18
Vogel Weißstorch Re = 1 ·10 5
19
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
20
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
21
Fb = Schmetterlingsschuppen
Ft = Dachziegel Fb ≠ Ft Fb Ft Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Funktionen in Biologie und Technik
22
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
23
Gb = Mohnkapsel Gt = Salzstreuer Gb ≠ Gt Gb Gt Pseudo-Bionik: Unterschiedliche Gütekriterien in Biologie und Technik
24
Trivial-Bionik 1
25
Trivial-Bionik 2
26
Trivial-Bionik 3
27
Trivial-Bionik 4
28
Trivial-Bionik 5
29
Trivial-Bionik 6
30
Trivial-Bionik 7
31
Delfin-Schnauze Trivial-Bionik 8 Schiff-Bugwulst
32
50 μm Kieselalge Autofelge Trivial-Bionik 9
33
Claus Mattheck Claus Mattheck Trivial-Bionik 10
34
1. Nachtrag: Weitere Beweise für die Optimierung in der biologischen Evolution
35
Mimese Imitation von Tieren Zoomimese Pflanzen oder Pflanzenteilen
Phytomimese Leblosen Gegenständen Allomimese
36
Dornzikaden an einem Rosenstamm
37
Interpretation der Formgebung einer Dorne als Optimierungsproblem
38
å y y ) ( ® - y Minimum x Ur- Problem der Kurvenanpassung soll ist 2
39
Die Thailändische Langkopfzirpe
Hier ist der Kopf ! Die Thailändische Langkopfzirpe
40
Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter
Mondvogel (Phalera bucephala) Mimese eines abgebrochenen Astes durch einen Falter
41
Kopf Rechte Flügelsptze Lonomia Motte Linke Flügelspitze
42
Blatt-Mimese eines Baumfrosches
im peruanischen Regenwald
43
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
44
Foto: Ingo Rechenberg Wo ? Verborgen im Saharasand
45
Optimalkonstruktion Facettenauge
46
Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege
47
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
48
Unimodale und multimodale Optimierung
49
unimodal multimodal
50
Multimodale Optimierung
in der Natur
51
Zwei Lösungen der Evolution
Komplexauge Linsenauge
52
Multimodalität der Augen-Evolution
53
Unimodale Optimierung
in der Natur
54
Parallelevolution Placentalia (Placentatiere) und Marsupialia (Beuteltiere)
Beutelmaus Die parallele Maus in der Evolution
55
In Australien Unimodale Evolution (Optimierung) Beutelratte Beutelhund
Beutelbär Australien Beuteligel Beutelmaulwurf Unimodale Evolution (Optimierung)
56
Beutelmensch
57
Das „bessere Auge“ des Octopus
Octopus: Nerven hinter der Netzhaut Wirbeltier: Nerven vor der Netzhaut (Fehlkonstruktion)
58
2. Nachtrag: Wasserpumpe ohne beweglich Teile
59
Erg Chebbi August 2008 Wasserhaushalt ?
60
Eine Eiche mit 12 m Kronendurchmesser verdunstet pro Tag:
400 Liter Wasser !
61
Mittags: Lufttemperatur 45° C
62
Temperatur Wüstenboden: 68°C Temperatur Koloquintenblatt: 33°C
63
Kalte Spiegelglasscheibe
Erstes Experiment zur Sichtbarmachung der Transpiration
64
° 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,
65
Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe
H2O Stoma 150 m Arbeitsprinzip der Transpirationspumpe H2O
66
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
67
Geerntetes Transpirationswasser eines Tages
68
BionischeTranspirationspumpe Primitiver Nachbau
Fördermenge eines Tages Förderhöhe 40cm
69
Eine „Wüsteneiche“ mit 12m Kronendurchmesser würde pro Tag
2500 Liter Wasser transpirieren Transparenter Ballon
70
Entwurf einer bionischen Transpirationspumpe
71
Ende
Ähnliche Präsentationen
© 2024 SlidePlayer.org Inc.
All rights reserved.