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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
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Zwei Seiten des Energiesparens bei schnellen Wassertieren
1. Den Strömungswiderstand so klein wie möglich halten
2. Den Antrieb so effektiv wie möglich gestalten
cw → Min
→ Max
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Flossenpropeller - Forelle
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Schnellstart einer Forelle nach H. Hertel
0,15 s
2,6 m/s
Startbeschleunigung 5g
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Nicht so …
sondern so
Wie entsteht der Schub einer Fischflosse
Auftrieb
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Vortrieb durch Auftrieb
W
A
v
Auftriebstheorie von Heinrich Hertel
v
v
H. Hertel (1901–1982)
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AuftriebSchub
Bei Vorwärtsbewegung
Erhöhung des Anstellwinkels damit kein Abtrieb entsteht
Schräganströmung durch Bewegung nach oben
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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
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Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme
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Wirbel- Ringe
Wirbel- Spule
Wirbel- Faltblatt
Schub erzeugende Wirbelsysteme
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Ringwirbelstraße einer Qualle
Nicht ganz richtig !
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Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse
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Wirbelbild Delfinflosse
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Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis
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King George IslandSouth Shetlands, Antarktis
Pinguin im Schwimmkanal
Die Messwerte werden über das vom Pinguin hinterher gezogene Kabel übertragen
Beschleunigungssensoren
Kabel
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Bildung eines Schub erzeugenden Wirbelrings
Wirbelring
1
2
3
Pinguin im Schwimmkanal
Durch den Plastikschlauch wird Farbe geleitet
Anstelle des Kabels zieht der Pinguin einen dünnen Plastikschlauch
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Schuberzeugung durch
eine Wirbelfaltstruktur
Schub Wirbelringe
CFD
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Welchen (strömungstechnischen) Zweck hat die Fahne an der Flossenspitze des Hais ?
?
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Zurück zum technischen Propeller
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Der Strahlwirkungsgrad eines Propellers
Antriebsleistung: MLA
Vortriebsleistung:
Vortriebswirkungsgrad: )/(1
22
00
0
vvvvv
LL
PPA
V
0vSL V
0v Pv2
0 Pvv
S S
Der Propeller bewegt sich mit v0 durch die Luft
Siehe „Betz“ in BERWIAN-Vorlesung
20 PvvS
Strömungspfropfen
Möglichst klein
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Muskelkraftflugzeug
Hallenflugmodell
Große Luftschraube
→ kleine Luftbeschleunigung
→ hoher Wirkungsgrad
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Die Caravelle
Erstes strahlgetriebenes Kurz- und Mittelstrecken-Verkehrsflugzeug der Welt (1960 – 1980)
Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit
sehr klein
![Page 23: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/23.jpg)
Schaumschläger
Ein unmöglicher Antrieb
Auf dem Fährschiff bei Gibraltar nach Afrika
![Page 24: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/24.jpg)
Der Trick der Natur
die Strömung an der
richtigen Stelle anzutreiben
Das Ineinandergreifen von Schub und Widerstand
![Page 25: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/25.jpg)
Das Propeller-Sieb-Modell
Sieb
Propeller
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Die 1 000 000-Euro-Frage:
Ist aus energetischer Sicht:
„a“ besser als „b“
„b“ besser als „a“
„a“ so gut wie „b“?
Das Propeller-Sieb-Modellvon Heinrich Hertel
Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden
v
b
v
a
Sieb
Sieb
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Das Propeller-Sieb-Modellvon Heinrich Hertel
a
bFür cw = 0,5
vvvv
a
b
LL
S
2S
1
21
30,1a
b
LL
w
w
cc
a
b
LL
1111
0
0
0
Sieb
vv vS
vS
vPv0
0v
0
![Page 28: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/28.jpg)
Schub des Propellers:
)()( 00
0 2 vvvv
FvvmS PP
PP
Widerstand des Siebes:
)()( 00
0 2 SS
SS vvvv
FvvmW
Bedingung für stationäre Bewegung:
WS 2
002 )(v
vvv SP
Erforderliche Propellerleistung:
20 Pvv
SL
dernebeneinan
2
0
0 212
)(vvSv S
v vS
vPv0
0
Bedingung: F = F = F S P
FS
FP
![Page 29: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/29.jpg)
Schub des Propellers:
)()( 2 SPSP
SPP vvvv
FvvmS
Widerstand des Siebes:
)()( 00
0 2 SS
SS vvvv
FvvmW
Bedingung für stationäre Bewegung:
WS 10
vvP
Erforderliche Propellerleistung:
2PS vv
SL
nderhintereina
0
0 12 v
vvS S
v0 vS vP
FS FP
Bedingung: F = F = F S P
![Page 30: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/30.jpg)
Leistungsverhältnis:
0
2
0
1
21
vv
vv
LL
S
S
)(nderHintereina
derNebeneinan
1,0 1,00
0.8 1,20
0,6 1,43
0,4 1,68
0,2 2.00
0 2,41
S 0 N Hv v L L
![Page 31: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/31.jpg)
Nebeneinander
Test im Windkanal
und hintereinander
Propeller-Sieb-Modell
hat die Theorie bestätigt
![Page 32: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/32.jpg)
Zwei Propeller-Sieb-Vehikel durchfliegen einen Raum
Im Raum zurückgelassene Geschwindigkeiten
Anschauliche Interpretation des Ergebnisses
![Page 33: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/33.jpg)
Integrale Antriebe in der Natur
Fisch
Vogel
Paramecium
Qualle
Manta
Aal
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Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet
(NASA-Studie)
![Page 35: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/35.jpg)
Strömungseintritt und Beschleunigung
Die Qualle: Ein ideales Triebwerk ?Die Qualle erfasst und beschleunigt Strömung übereinen größeren Querschnitt als es ihrer eigenen Stirnfläche entspricht
Ringwirbel
Helmholtzscher Wirbelsatz:
Es können nur entgegengesetzt drehende
Wirbelpaare existieren !
![Page 36: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/36.jpg)
Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle
Einstrom zwischenden Doppelwirbelringen
![Page 37: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/37.jpg)
Wie lassen sich
abgebremste Strömungsteilchen
selektiv sammeln und beschleunigen ?
![Page 38: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/39.jpg)
Unterdruck
Zentrifugiertes Strömungsteilchen
Gebremstes Strömungsteilchen Reibfläche
Saugwirkung eines Wirbels
Durch fehlende Zentrifugalkraft wird das Teilchen in den Wirbelkern gesaugt
![Page 40: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/40.jpg)
Grenzschicht-Sammlung in einem Wirbel
Vortex Generatoren
Tusche
![Page 41: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/41.jpg)
Lernen vom fliegenden Fisch
![Page 42: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/42.jpg)
Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs
![Page 43: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/43.jpg)
Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs
2
21
22
11 11121
v
vFF
vSL
v v
vv
1
2
F
F
1
2
Schub S
1
2
Für 12
vSL
![Page 44: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/44.jpg)
„Pelican“
Entwurf eines Bodeneffekt-Flugzeugs von Boeing
Spannweite 152 m, Länge 109 m
Reichweite 16 000 km bei einer Flughöhe von 6 m
Anstatt von der „nachgiebigen“ Luft sollte sich das Bodeneffekt-Flugzeug vom „härteren“ Wasser abstoßen !
![Page 45: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/45.jpg)
Der Schienenzepp
von Franz Kruckenberg
Dennoch: Die Antriebsleistung sollte vollständig auf das Fahrzeug und nicht zum Teil auf einen Luftstrahl übertragen werden !
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.
![Page 46: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik I Lokomotions-Techniken von Wassertieren Flossen-Propulsion und Gleittechnik fliegender Fische](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022062312/55204d6749795902118bd767/html5/thumbnails/46.jpg)
Ende
www.bionik.tu-berlin.de