Ingo Rechenberg

1. 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

2. 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

3. Flossenpropeller - Forelle

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

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

6. H. Hertel (1901–1982) v A Auftriebstheorie von Heinrich Hertel v v W Vortrieb durch Auftrieb

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

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

9. 1 2 3 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel Ausbildung eines Hinterkantenwirbels Umströmung der Flossenhinterkante 6 4 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante Wirbeltheorie von W. Liebe (Flexible Flosse, Ansicht von oben)

10. Moderne Theorie: Schub durch Ringwirbelsysteme

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

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

13. Strömungsbeschleunigung durch eine Wirbelfaltblattstruktur hinter einer schlagenden Flosse

14. Wirbelbild Delfinflosse Wirbelspule ?

15. Forschungshütte der “Bionik und Evolutionstechnik” in der Antarktis

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

17. 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

18. Schub Wirbelringe CFD Schuberzeugung durch eine Wirbelfaltstruktur

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

20. Wirbelring im Wirbelring ? Nature430, 850 (19 August 2004) C. D. Wilga & G. V. Lauder Biomechanics:  Hydrodynamic function of the shark's tail

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

22. CFD Rechnungen und Messungen am Tragflügel mit und ohne Nasenband a a a

23. Flossenboote

24. Zurück zum technischen Propeller

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

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

27. hsehr klein Triebwerksstrahl sehr hoher Geschwindigkeit Die Caravelle ErstesstrahlgetriebenesKurz-undMittelstrecken-VerkehrsflugzeugderWelt (1960–1980)

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

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

30. Propeller Sieb Das Propeller-Sieb-Modell

31. b a v Sieb v Ein Sieb soll durch die Luft bewegt werden Die 1000000-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

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

33. F F S P Schub des Propellers: Impulssatz der Strömungslehre v v 0 P Widerstand des Siebes: Impulssatz der Strömungslehre Bedingung für stationäre Bewegung: v v 0 S Bedingung: F= F = F P S Erforderliche Propellerleistung:

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

35. Leistungsverhältnis: v v L L S 0 H N

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

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

38. Integrale Antriebe in der Natur Vogel Fisch Paramecium Aal Qualle Manta

39. Nachlaufbeschleunigung: Verkehrsjet (NASA-Studie)

40. Vision: Flugzeug mit Integralantrieb

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

42. Einstrom zwischen den Doppelwirbelringen Richtigstellung der Ringwirbelstraße einer Qualle

43. Wie lassen sich abgebremste Strömungsteilchen selektiv sammeln und beschleunigen ?

44. 1 2 3 Grenzschichtteilchen strömen in den Wirbel Ausbildung eines Hinterkantenwirbels Umströmung der Flossenhinterkante 6 4 5 Spiegelbildlich identisch zum Arbeitstakt 1 Wirbel mit Kern wird nach hinten geschleudert Leertakt ohne Umströmung der Flossehinterkante Wirbeltheorie von W. Liebe

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

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

47. Lernen vom fliegenden Fisch

48. Schub/Gleit-Technik eines fliegenden Fischs

49. Schubwirkungsgrad des fliegenden Fischs Schub S Für

50. Prototyp "Seafalcon": Ende Oktober 2006 wurde das sogenannte Bodeneffekt-Fahrzeug erstmals zu Wasser gelassen. Mit der Technik kann das Gefährt übers Wasser fliegen. Anstattvonder„nachgiebigen“LuftsolltesichdasBodeneffekt-Flugzeug besser vom„härteren“Wasserabstoßen !