Methoden in der Bionik: Froude-Zahl und Rumpfgeschwindigkeit eines Wasservogels

Methoden in der Bionik.

Froude-Zahl und Rumpfgeschwindigkeit eines Wasservogels

Die Herleitung der Froude-Zahl führt über die Betrachtung der kinetischen und potentiellen Energien. Ein Schiff in Fahrt verrichtet Arbeit und koppelt ständig Energie in das Medium Wasser ein. Das ruhende Medium erfährt bei einer Schiffsbewegung an seiner Phasegrenze eine Störung, die sich wellenförmig fortpflanzt. Gleiches gilt für halbgetauchte, sich in Verdrängerfahrt befindliche Systeme allgemein. Also auch für biologische Wesen.

In diesem Aufsatz werden Betrachtungen über die Berechnung der maximalen Rumpfgeschwindigkeit und der Froude-Zahl schwimmender Wasservögel angestellt und deren Bedeutung für eine Übertragung auf künstliche, technische Systeme angestellt.

Es geht los. Bitte achten Sie auf das Kleine Schwarze. Der Antriebsapparat muss genial sein: Katapultstart!

Nach einem kurzen Anlauf als Halbtaucher, als Verdränger, gleitet das kurz Tier auf, bekommt auf irgend eine Weise die Füßchen über die Wasseroberfläche und rennt flügelschlagend und sehr schnell -für ein Phänomen biblischen Ausmaßes allerdings zu schnell - über das Wasser davon. Fliegen habe ich ein Blässhuhn (Fulica atra. Familie der Rallenvögel) noch nicht gesehen. Das besagt aber nichts. Die Flügel des Tieres sind wichtig. Sie spielen bei der Ausnutzung des transienten - weil über Schlagflügelprozesse getragenen, dynamischen - Bodeneffekts eine Rolle.

Rallen. Betrachten wollen wir nicht ihre Füßchen, die sich in besonderer Weise von denen der Enten und Schwäne unterscheiden. Letztere besitzen hoch entwickelte Schwimmhäute; hingegen mutet die evolutive Anpassung eines im Wasser arbeitenden Rallenbeins landlebenden Formen an. Die mit Schwimmlappen versehenen Zehen des Blässhuhns sind sehr effiziente paddelförmige und - so ist zu vermuten - strömungsadaptive Antriebsorgane.

Schauen wir also nachfolgend auf das schwimmende Tier, insbesondere auf die Verdrängerfahrt des gemeinen Blässhuhns. Bionik. Es sollen technische Halbtaucher optimiert werden: Schiffe. Besonders Verdrängerrümpfe interessieren uns, also Seefahrzeuge, die regulär in ihrem Auslegungspunkt nicht aufgleiten. Bei der industriellen Produktentwicklung arbeitet die Bionik mit einem analysierenden Blick auf relevante halbtauchende Biosysteme. Die Herangehensweise der Bionik ist manchmal Erfolg versprechend. Dennoch fragen wir uns permanent, insbesondere in der frühen Phase eines Bionik-Projektes: Kann die systematische Entschlüsselung von Phänomen in der belebten Natur einen Beitrag leisten zu Konzepten, zu Entwürfen, ja letztendlich zur Optimierung von Schiffsrümpfen?

Wir glauben das schon. Die belebte Natur hat in den Jahrmillionen der biologischen Evolution äußerst effiziente und Ressourcen schonende Lösungen hervorgebracht. Wir beobachten die Vielfalt biologischer Bauweisen, wir beschreiben und messen die teilweise bis an das physikalisch Machbare optimierten Funktionen. Wir bewundern die von einer Einfachheit getragene Eleganz in Gestalt und Dynamik der Lebewesen. Auf der abstrakten Ebene des physikalischen Modellierens sollte eine systematische Untersuchung biologischer Halbtaucher ein erster Ansatzpunkt sein [Die-09-4].

Doch Halbtaucher sind, anders als in der Technik, in der Welt der Lebewesen sehr rar; und - so ist zu befürchten - schlecht untersucht. Beispiele biologischer Halbtaucher sind auftauchende Wale, im Flachwasser jagende Delfine, spielende Seehunde, prähistorische Lungenfische, Schlammspringer, Wasserschlangen und auch die große Zahl der Wasservögel.

All diese Tiere waren und sind Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Doch scheint sich kaum jemand für ihr Schwimmen an der Phasengrenze zu interessieren. Dies und der Umstand, dass die Daten wissenschaftlicher Analysen biologischer Schwimmer selten in für Ingenieure verwertbarer Form vorliegen, steht einer unmittelbaren Anschauung, mit dem Ziel einer Übertragung biologischer Phänomene auf Technik im Sinne der Bionik, häufig im Wege.

Formal gibt es dennoch Grund zur Zuversicht. In fluidische Wesen, in Amphibien, Meeressäuger, Fische und Vögel hat die biologische Evolution enorm viel Entwicklungsarbeit investiert, sie sind hoch optimiert. Und grundsätzlich gilt: Alles steht auf der Bühne der biologischen Optimierung unter selektivem Druck und damit hinsichtlich einer Funktions- und Formfindung zur Disposition. Vollständig. Die biologische Evolution leistet sich nicht, Teile eines Systemgefüges, auch keine Einzelheiten dem selektiven Wirken zu entziehen. Das Optimierungsprinzip gilt für alle Detailfragen; also auch für die Kondition des (oh, pardon) Unterwasserschiffes von Enten, Schwänen und anderen Wasservögeln. Optimiert wird hinsichtlich Widerstandsarmut, speziell der Verminderung des Wellenwiderstands.

Bei den Vögeln unter den biologischen Halbtauchern erscheint mir eine Betrachtung des Blässhuhns deshalb besonders interessant, weil diese Wesen offenbar nicht gerne fliegen, so meine Vermutung. Ihr Element ist das Wasser. Auf der Flucht entscheidet sich das Tier selten für den Flug. Vielmehr schießt das Blässhuhn aus dem Wasser hervor, verbringt wenige Sekunden in Verdrängerfahrt, bevor es aufgleitet, wie anfangs beschrieben, um zu einem spektakulärem „Water-Run“ anzusetzen.

Gleichwohl ist die Schwimmweise der Rallen sehr effektiv, führt sie doch in einen „Betriebszustand“ der unmittelbar zu einer Flucht über die Wasseroberfläche taugt. Selbst im Normalbetrieb, als verdrängender Halbtaucher, wollen diese kleinen Biester schneller schwimmen als ihre Reviergenossen, scheint es.

Der Schwimmstil der Blässhühner kennt unterschiedliche Betriebszustände. Beim Anfahren und bei geringer Geschwindigkeit ist jeder Hub eines Rallenbeinchens mit einer typischen Nickbewegung (wg. des kopfaufrichtenden Kippmomentes der Relativbewegung) in Fahrtrichtung verbunden, die bei höherer Geschwindigkeit wieder verschwindet. Hier nun arbeitet das Antriebssystem sehr zügig; der Beobachter registriert ein ruckfreies Voranschwimmen. Gleichmäßige Wellenformen entstehen. Diese Bewegungsart könnte die Wandergeschwindigkeit des Tiers sein. Das Schwimmen besitzt Eleganz und Effizienz. Rumpf und Schwingen bilden eine solide geschlossene Form.

Dritte Schwimmform: Auf der Flucht. Phase eins und Phase zwei folgen dicht aufeinander; rasch gleitet das Tier auf. Der Kopf schnellt nach vorn - der Rumpf hebt ab. Die Flügel kommen zum Einsatz. Die Füßchen besitzen dabei nicht den Winkel eines startenden Sprinters, sondern trampeln eher auf der Wasseroberfläche; das Tier läuft. Von anderen Tieren, die nahe der Wasseroberfläche den Bodeeffekt nutzen, weiß man, dass die Strategie: „erleide den Widerstand an der Luft, aber lege den Antrieb in das Medium Wasser“, sehr effizient ist. Ein spektakuläres Beispiel für die Umsetzung dieser Strategie ist der „Fliegende Fisch“, dessen Rumpf sich - nach einer kurzen Volltaucher- dann Halbtaucherfahrt vollständig aus dem Wasser erhebt, während seine Brustflossen einen perfekten Bodeneffektflügel bilden, die (Schwanz-) Antriebsflosse aber weiter im Medium Wasser arbeitet. Hier sind - alleine des Masseneffekts wegen (ρWASSER /ρLUFT >800 [-]) - die Margen umgesetzter Energie relativ hoch. Gelegentlich wird versucht, dieses Prinzip auch auf technische Bodeneffektfahrzeuge zu übertragen. Konzepte scheitern oftmals an einer ganz profanen Ursache. Ingenieure und Designer verbinden mit dem Bodeneffektfliegen zunächst eine Optimierung in Richtung Geschwindigkeits-Steigerung. Das Gestaltungsmotiv ist die Erhöhung der Transportleistung. Bei der Ausnutzung des Bodeneffekts geht es aber in erster Linie um eine Reduzierung des so genannten induzierten Widerstands des Transportsystems. Dieser ist insbesondere bei geringeren Geschwindigkeiten kolossal groß.

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