PowerPoint-Folien zur 11. Vorlesung „Bionik I“

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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 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 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 wegen geometrischer Ähnlichkeit
Strömungsmedium: Dichte r Zähigkeit m y Kinematische Zähigkeit v = 0 Konstant wegen 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 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 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 Problem der Kurvenanpassung soll ist 2 ist

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 Verborgen im Saharasand
Foto: Ingo Rechenberg Verborgen im Saharasand

44 Optimalkonstruktion Facettenauge

45 Konstruktion eines Facettenauges
Stubenfliege

46 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):

47 Unimodale und multimodale Optimierung

48 unimodal multimodal

49 Multimodale Optimierung
in der Natur

50 Zwei Lösungen der Evolution
Komplexauge Linsenauge

51 Multimodalität der Augen-Evolution

52 Unimodale Optimierung
in der Natur

53 Beutelmaus Die parallele Maus in der Evolution

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

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

56 Beutelmensch

57 Ende