Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 10. Vorlesung Bionik I
Berg- und Talbahnen in der Natur
Bolzenflug, Schwimmspringen und Karussellsegeln
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle
gestattet
2
Bolzenflug einer Meise
3
Kräfte an einem Modell-Vogel
Flügel-Auftriebsbeiwert
Profil-Widerstandsbeiwert
mit
Siehe 8. Vorlesung !
Rumpf-Widerstandsbeiwert
Antrieb
4
für mittleren Horizontalflug
A
m
W
W
v
-
a
a
1
m
Zeitliches Mittel
-
T
a
(
)
a
T
1
T
Steigphase
Sturzphase
Mittel
5
Minimum
Liefert die unsinnige Lösung
Das in der Luft still stehende Flugzeug (wegen
der unendlich großen Fläche möglich) hat den
geringsten Widerstand.
Betrachtung der halben Aufgabe v sei
vorgegeben.
6
Minimum
Vernünftige Vorgabe von v
Nicht frei !
Notwendige Flügelfläche, um überhaupt in die Luft
zu kommen !
Abhebegeschwindigkeit eines Vogels
5,8
0,05
für
7
Die genauere Betrachtung
Minimum
Liefert die unsinnige Lösung
Das in der Luft still stehende Flugzeug (wegen
der unendlich großen Fläche möglich) hat den
geringsten Widerstand.
?
Warum muss der Vogel überhaupt fliegen, d. h.
seinen Ort wechseln ?
8
Zur Evolution der Mobilität in der Natur
Es beginnt mit der passiven Mobilität Pflanzen
schicken ihre Samen durch abenteuerliche
Konstrukte auf die Reise. Erster Vorteil Am
fer-neren Standort ist der Boden fruchtbarer.
Zweiter Vorteil Das Erbgut wird weitläufiger
durchmischt.
"Wenn der Prophet nicht zum Berge kommt, dann
muss der Berg eben zum Propheten kommen - Das
ist der Ausgangspunkt für die Entwick-lung der
aktiven Mobilität. Tiere müssen unter
Energieaufwand Nah-rung suchen. Die gebratenen
Tauben fliegen ihnen nicht in den Mund.
Modell
9
Benzin-Hamstern auf der Zapfstraße
Ein Modell für den Zweck der Mobilität von
Lebewesen
Ein Autofahrer fährt eine wundersame Straße
entlang. Alle 10 km kann er kostenlos 1 l Benzin
tanken. Bei welcher Geschwindigkeit hamstert er
das meiste Benzin pro Stunde ?
Benzinverbrauch bei 50 km / h 2 l /100 km
Benzinverbrauch bei 100 km / h 5 l /100 km
Benzinverbrauch bei 200 km / h 10 l /100 km
10
Gewinn l /h ( Tanken l /km Verbrauch l
/km ) ? Geschwindigkeit km/h
G (0,1 0,02) 50 4 l /h
G (0,1 0,05) 100 5 l /h
G (0,1 0,10) 200 0 l /h
Analoge biologische Gewinnfunktion
Gewinn kJ/h ( Nahrung kJ /km Flugarbeit
kJ /km ) ? Geschwindigkeit km/h
Zur Q -Minimierung www.bionik.tu-berlin.de/instit
ut/skript/bibu6.pdf
11
Der Delfinstil
Schwimmspringen in der Natur
12
Spiel oder Energieminimierung ?
13
Steinwurf
Über- und Unterwasserbahn eines Delfins
14
Annahme Kreisbahn !
Der Delfin muss in der Unterwasserphase den
Eintauchwinkel a in den Spiegelwert (- a )
umdrehen.
Annahme
Mit
15
Weggewinn des Schwimm-Sprung-Stils der Delfine
l Luftweg
w Wasserweg
16
Delfine im Delfinstil
17
Foto Ingo Rechenberg
Pinguin im Delfinstil
18
Der Flug des Albatros
19
Foto Ingo Rechenberg
Albatros bei der unteren Kehrtwende
20
Scherprofil des Windes
Albatros im dynamischen Segelflug
21
v
Zum Flug des Albatros
v
v w
Äußerer Betrachter schwarz
Innerer Betrachter grün
v2w
v w
Das Eisschollen-Bob-Modell
v2w
22
Jo-Jo-Spiel
Kugelschleudern
Zwei Denkmodelle zum dynamischen Segelflug
23
Dynamischer Segelflug
Prof. Dr. Gottfried Sachs
24
Mikro Flug Vehikel MAV (Micro
Air Vehicle)
25
Rekonstruktion von Jüngers Glasbiene
An diesen Bienen fiel zunächst die Größe auf.
Sie hatten etwa den Umfang einer Walnuss,
die noch in der grünen Schale stekt.
Roman (1957)
Zapparoni, dieser Teufelskerl, hatte wieder
einmal der Natur ins Handwerk gepfuscht
Wahrscheinlich saß er dort behaglich bei seinen
Büchern und verfolgte zuweilen auf dem
Bildschirm, was ihm die Glasbiene sendete.
26
Das MFI-Projekt der Universität Berkely
Ron Fearing
Micromechanical Flying Insect
27
Fliege
MAV mit Bioantrieb
28
5 cm
Bienenelfe (Mellisuga helenae)
2 Gramm
MAV - Vorbild Vogel
29
Mikroflugvehikel
30
MAV - Vorbild Fledermaus
31
Größe 20 cm, Gewicht 11,5 g Flugzeit 6 min 17 s
(Weltrekord im Nov. 2001)
MicroBat (Caltech, USA)
32
MAV - Vorbild Libelle
33
Gu Gummimotor R Fadenrolle W Wickelplatte K
Kurbel P Pleuelstange
Spannweite 53 cm Gewicht 12 g
Künstliche Libelle von Erich von Holst (1940)
34
Mikroflugvehikel
35
Die offene Frage
oder
In der Biologie wäre eine Gewebeverbindung
zwischen Rad und Achse notwendig
36
Flattern als Ersatz der Rotation
Beginn Abschlag
Beginn Aufschlag
37
MAV
Libelle
38
Abstrahiertes Bild der Flatterbewegung
39
Abstrahiertes Bild der Flatterbewegung
40
Abstrahiertes Bild der Flatterbewegung
41
Abstrahiertes Bild der Flatterbewegung
42
Schwebeflug
43
Flügelbahn einer schwebenden Fliege
Experiment Michael Dickinson
44
Größe
Airbus 380
Andere Strömungsphysik
andere Lösungen !
Libelle
Federflügler 0,25 mm
Strömungsphysik (Reynoldszahl)
45
Langsamflug-/ Indoor-MAVs können im ruhenden
Luftraum von Hallen, Höhlen, Tunneln und Kanälen
operieren. Im Freiland ist ihr Einsatz nur bei
beruhigter Atmosphäre gegeben Verfolgung
chemischer Konzentrationsgradienten in
Innenräumen (Sprengstoffschnüffler, Lokalisierung
von Gaslecks) Aeromagnetische und aeroelektrische
Feldmessungen zur Lagerstätten-Exploration und
zur archäologischen Prospektion durch scannende
MAVs bzw. einen MAV-Schwarm Ebenes Abscannen von
Landstrichen zur Detektion von Minen mit autonom
geregelten tiefstfliegenden MAVs in lateraler
Schwarmordnung Folgen des Duftgradienten einer
geschädigten Flora (z. B. Grünblattduft der
Kartoffelpflanze bei Kartoffelkäferbefall) und
singuläre Schädlings-Elimination durch MAVs
Detektion von Lawinen-Verschütteten durch ein
auf neuronale Aktivität ansprechendes
hochsen-sibles adaptives Antennenarray mit
verteilten MAVs (MAV-Schwarm) Detektion kleinster
Geräuschquellen (z. B. Klopfgeräusche) durch ein
von einem MAV-Schwarm gebildetes adaptives
Mikrofonarray (akustische Kamera) Transport
und Absetzen von e-Grains durch MAVs in
Sondereinsätzen, z. B. bei der Terroristen-bekämpf
ung Optische Inspektion exotischer Areale (z. B.
Abwasserkanäle) und undefinierbarer Gegenstände
durch MAVs mit Videokamera im Normal- und
Infrarotbereich Autonomes Durchfliegen von
Waldregionen mit Kamera-MAVs in lateraler
Schwarmordnung auf der polizeilichen Suche nach
Verbrechensopfern
46
MAV-Erkundung in den Dünen
47
NASA-Studie Intelligent Organic Aicraft
Biomechanical Aerial Technology System (BATS)
Das BATS Programm ist ein NASA Langley
Forschungsprogramm, an dem das Morpheus Lab als
Partner beteiligt ist. Die Bemühungen zielen auf
die Entwicklung des ersten Fluggeräts ab, das
ähnlich biologischer Organismen vollständig aus
verteilten Systemen konstruiert ist. Der
organische Ornithopter wird aus integrierten und
verteilten Schichten aktiver Materialien (d. h.
Muskeln), verteilten sensorischen Schichten (d.
h. Nerven) und einem verteilten Energiespeicher
und Energieversorgungssystem Anm. MEMS
Mikro-Turbinen, -Generatoren und -Pumpen
bestehen. Das wird ähnlich wie bei biologischen
Organismen sein, die vollintegrierte verteilte
Funktionssysteme besitzen. Das Fluggerät wird
autonom fliegen, was Sinnesempfindungen und
intelligente Algorithmen zur Steuerung erfordert.
48
MAV
Vorführung
49
MAV
Vorführung
50
MAV
Vorführung
51
Ende
www.bionik.tu-berlin.de