Kitabı oku: «Bionik»
1
BIONIK
Knabe Verlag Weimar
Vom Fliegen
Bernd Hill
1. Auflage Oktober 2015
©
2015 Knabe Verlag Weimar
Trierer Straße 65 99423 Weimar
Alle Rechte sind dem Verlag vorbehalten.
Grafische Bearbeitung Nicole Laka
Satz und Layout Nicole Laka
Lektorat Julia Roßberg
Druck und Bindung Jelgavas Tipografija SIA
Dieses Buch folgt den Regeln der neuen deutschen
Rechtschreibung.
Printed in Latvia
ISBN 978-3-944575-35-3
BERND HILL
wurde 1947 geboren. Er studierte an der PH/Uni-
versität Erfurt im Schwerpunkt Polytechnik. 1987 promovierte er
über Erfindungsmethodik, 1995 erfolgte seine Habilitation über
Biostrategien und biologische Organisationsprinzipien an der
Martin-Luther-Universität Halle.
Von 1998 bis 2012 lehrte Prof. Hill an der Universität Münster
im Fachbereich Physik, Institut für Technik und ihre Didaktik.
In verschiedenen Unternehmen führt er Innovationskurse durch
und bezieht die angewandte Bionik in systematische Produkt-
entwicklungsprozesse ein. Seine Forschungstätigkeit bezieht sich
auf Innovationsstrategien, technische Kreativität sowie systema-
tische und angewandte Bionik.
BILDNACHWEIS
Coverfoto © Mikhail Kolesnikov – shutterstock.com
Illustrationen Prof. em. Dr. phil. habil. Prof. h.c. Bernd Hill
Seite 31 By Ottomar Anschütz [Public domain], via Wikimedia Commons
Seite 46 nach Katalog Hubschraubermuseum Bückeburg (1984)
Seite 68 nach Herzog (1968)
Seite 70 oben nach Bruns (1954) und Hertel (1963)
Seite 76 nach Herzog (1968)
Seite 83 nach Glaser (1974)
Seite 91 nach Wodzinski (2000)
Seite 95 nach Perelman (1960) und Nachtigall (2000)
Seite 102 nach Rzymski (1959)
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ............................................................. 6
1
Einleitung ...................................................... 8
2
Aus der Geschichte des Fliegens.................................. 11
3
Nicht nur Vögel und Insekten fliegen ............................. 49
4
Insekten- und Vogelflug......................................... 62
5
Flugphysik – leicht verständlich .................................. 77
6
Fliegen – Lernen von der Natur ................................. 103
Arbeitsblatt 1: Zuordnen ...................................... 113
Arbeitsblatt 2: Quiz – Vervollständigen ......................... 114
Arbeitsblatt 3: Luftballonrakete................................. 116
Arbeitsblatt 4: Tragflächen-Funktionsmodell ..................... 117
Arbeitsblatt 5: Wasserkreisel mit Rückstoßantrieb ................ 118
Lösungen .................................................... 119
Literatur........................................................... 120
Register ........................................................... 124
l l l l l l l l l l
1.
Die Natur als Ideenschmiede
2.
Von Flugfrüchten abgeschaut
3.
Leichtbau – Konstruktionsprinzipien der Natur abgeschaut
4.
Riesenseerose und Kristallpalast
5.
Schmetterlingen abgeschaut
6.
Vom Fliegen
7.
Schätze aus dem Tropenwald
8.
Schwimmen und Tauchen
9.
Wärmedämmung
10.
Seil- & Netzkonstruktionen
11.
Klimatisierung und Lüftung
12.
Schönheit der Natur
13.
Tarnen und Täuschen
14.
Das 1 x 1 des Erfindens
15.
Wettrüsten der Sinne
16.
Werkzeuge der Natur
17.
Verpacken
18.
Roboter und Prothesen
19.
Erfinden mit der Natur
20.
Bionik in Wald und Flur
Alle Titel der Buchreihe (nach Erscheinen):
„Den Tag, an welchem Lilienthal im Jahre 1891 seine
ersten fünfzehn Meter in der Luft durchmessen hat, fasse
ich auf als den Augenblick, seit dem Menschen fliegen
können.“
Ferdinand Ferber (1862–1909)
Französischer Flugtechniker
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VORWORT
D
Lernen von der Natur
er sechste Band „Vom Fliegen“ setzt die neue Buchreihe unter dem Motto
„Frag' die Natur“ weiter fort. Diese Reihe wendet sich an eine breite Leserschaft.
Sie ist sowohl auf aktiven Wissenserwerb, als auch auf das eigenständige Forschen,
Entdecken, Experimentieren und Erfinden ausgerichtet. Comics und Infoboxen
lockern dabei die Wissensaneignung auf. Der Leser erfährt durch eigenes Han-
deln an interessanten Sachverhalten die Funktionalität, Vielfalt, Effizienz und
Schönheit der Natur und ihre Nutzung. Die Texte enden nicht mit der Aufnahme
erklärenden Wissens, sondern machen neugierig und fordern zum Hinterfragen,
Beobachten, Forschen, Modellieren, Experimentieren und Konstruieren auf. An-
schaulich werden Methoden des Problemerkennens und -lösens dargestellt, um
eigenes Entdecken und Erfinden zu ermöglichen und so Freiräume für Kreativität
zu schaffen. Damit erschließt sich in persönlicher Weise die faszinierende Welt der
Naturphänomene und ihre Nutzung.
An ausgewählten Stellen des Buchs helfen Rätsel und Denksportaufgaben bei
der Förderung von Kreativität und Erfindergeist.
Die Bände enthalten:
Sachinformationen über interessante und erstaunliche biologische und
technische Phänomene,
7
Abenteuer des Entdeckens und Erfindens in Form von Bildergeschichten,
Denk- und Arbeitsweisen von Entdecker- und Erfinderpersönlichkeiten,
nützliche Methoden zur individuellen Erschließung von Natur und
Technik,
spannende Experimente zur Erkenntnisgewinnung und Selbstbau-An-
leitungen zur praktischen Erprobung.
Im fortlaufenden Text dienen folgende Symbole zur Orientierung:
Viel Spaß beim Lesen,
Forschen und Experimentieren.
i
Infobox zur Begriffserläuterung
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Modelle
l
Methoden zur Erkenntnis-
T
Experimente
gewinnung und -umsetzung
Kreativitätstraining
8
S
Fliegen lernen von der Natur
EINLEITUNG
1
chon seit langen Zeiten haben die Menschen sehnsuchtsvoll in den
Himmel geschaut und dabei so manchen Vogel um seine Flugkünste benei-
det. Der Wunsch, es den Vögeln gleichzutun und sich fliegend durch die Luft
zu bewegen, hat sich aber erst vor über hundert Jahren verwirklicht. Viele
Tüftler und Erfinder haben am Anfang dieser Entwicklung mit ihren fliegen-
den Kisten dazu beigetragen, dass sich daraus allmählich unsere heutigen
Flugzeuge entwickeln konnten. Dass uns heute das Fliegen mit schweren
Jumbos möglich ist, verdankt die Menschheit vor allem dem Flugpionier Otto
Lilienthal (1848–1896). Sein Ziel „Fliegen mit einem Gerät schwerer als Luft“
wurde anfangs als Unsinn abgetan. Lilienthal wurde verspottet und ausge-
lacht. Doch er ließ sich nicht entmutigen und trat den praktischen Beweis für
die Durchführbarkeit des Fliegens an. Bei Lilienthal hatte das Fliegen seinen
Ursprung in der Beobachtung der Natur.
Der Gleitflug der Störche bewies, dass es im Prinzip möglich war, einen Flug-
apparat schwerer als Luft herzustellen, mit dem ein Mensch fliegen konnte. Die
lebende Natur war für viele Flugpioniere eine interessante Lösungsquelle. Sie
lernten mit der Zeit immer tiefgründiger vom Insekten- und Vogelflug.
Bei fliegenden Insekten und Vögeln gibt es unendlich viel Interessantes zu
entdecken und zu erforschen. Dabei lässt sich heute auch noch so manches
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Vom Storch zum Gleitflugapparat
Technische Lösung:
Gleitflugapparat
Biologisches Vorbild: Storch
Erkenntnisse aus der Natur
gewinnen (Entdeckung)
Erkenntnisse in die Technik
umsetzen (Erfindung)
Gleit-
fliegen spart
Energie!
Fliegen
macht Spaß!
Wissenschaft, die das Lernen von der Natur zum Ziel hat. Sie wird aus den
beiden Begriffen Biologie und Technik gebildet. Durch die Bionik werden
Entdeckungen bei Pflanzen und Tieren zur Übertragung in die Technik genutzt.
Häufig entstehen dabei neue technische
Lösungen, die Erfindungen genannt
werden.
Bionik i
Vorbild:Blauwal
Luftlenkschiff von 1815
Beluga-Zeppelin von 2005
Ich bin der
Blauwal, das größte auf der Welt
lebende Tier. Ich bin 30 Meter lang und über
120 Tonnen schwer. Meine strömungsgünstige
Gestalt war Vorbild für Luftschiffe.
Fliegen
mit Gerät schwerer
als Luft
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für das Fliegen abschauen. Dieses Lernen von der Natur ist in unserer Zeit zu
einer interessanten und wichtigen Wissenschaft geworden. Sie wird Bionik
genannt.
DER LANGE WEG ZUM FLUGZEUG
Anfangs wurde der Vogelflug kopiert und direkt nachgeahmt, wie es beispiels-
weise in der griechischen Sage vom Flug des Ikarus und Dädalus berichtet wird.
Erst viel später hat man gemerkt, dass die direkte Kopie ein Fehlgriff war.
So wie die Vogelflügel müssen auch die Tragflächen von Flugapparaten genü-
gend Auftrieb erzeugen, um die Schwerkraft zu überwinden. Zunächst wurden
große Schlagflügel gebaut und an den Armen befestigt, damit man sich durch Flü-
gelschlag der Luft anvertrauen konnte. Aber das funktionierte nicht. Die findigen
Tüftler hatten ihre Schlagflügel um ein mehrfaches des Vogelflügels vergrößert,
um sie ihrer Körpergröße anzupassen. Die Konstruktion samt Körpergewicht war
aber viel zu schwer, um sich flügelschlagend vom Boden abzuheben. Die Kraft,
die nämlich nötig ist, um das Gewicht zu tragen, nimmt bei zunehmender Größe
schneller zu als die Muskelkraft.
Die Erfinder von Flugmaschinen begriffen, dass unterschiedliche Größen-
verhältnisse in Natur und Technik herrschten und beachteten zunehmend diese
Tatsache bei der Entwicklung ihrer Flugmaschinen. Heute orientieren sich Flug-
zeugkonstrukteure am Insekten- und Vogelflug und schauen dabei der Natur
ihre Tricks ab.
Band 6 der Bionik-Reihe gibt einen anschaulichen Überblick zur Geschichte des
Fliegens. Er zeigt die unterschiedlichen Mechanismen des Fliegens im Tierreich,
erläutert die physikalischen Grundlagen und trifft Aussagen zur zukünftigen
Entwicklung der Flugtechnik. Nachvollziehbare Methoden und Experimente
fördern dabei das Verständnis für das Fliegen.
11
I
AUS DER GESCHICHTE
DES FLIEGENS
Am Anfang stand die Nachahmung
2
n der Geschichte des Fliegens gibt es viele Beispiele erfolgreicher Nachah-
mung fliegender Tiere, aber auch nahezu unendlich viele Beispiele von Miss-
erfolgen und Rückschlägen. Lange Zeit bemühte man sich wie ein Vogel, mit
an den Armen angelegten Flügeln, in der Luft zu bewegen. Das klappte nicht.
Es brauchte lange Zeit, bis das Fliegen zur alltäglichen Erscheinung unseres
Alltages wurde.
DÄDALUS UND IKARUS
Der Flug von Insekten und Vögeln war schon immer Anregung für den Menschen
zur Entwicklung von Flugapparaten. Die einfachste Form der Nachahmung des
Vogelfluges ist aus der griechischen Mythologie bekannt. Die Sage von Dädalus
und Ikarus ist ein Beispiel dafür, dass mit der genauen Kopie der Vogelflügel ein
funktionsfähiger Flug nicht durchführbar ist. In der Sage wird davon berichtet,
wie Dädalus und Ikarus aus dem Labyrinth des König Minos von der Insel Kreta
fliehen wollten. Diese Flucht bezahlte jedoch Ikarus mit seinem Leben.
Beide, Vater (Dädalus) und Sohn (Ikarus), hatten sich Flügel angefertigt. Auf
diesen wurden Federn mit Wachs befestigt. Ikarus flog jedoch bei der Flucht viel
12
Der Mensch erobert den Luftraum – Aus der Geschichte der Luftfahrt
Die Sage von Dädalus und Ikarus
1
Mein
Sohn stürzt
ab!
Sie flohen mit selbst gebauten Flügeln aus der Gefangen-
schaft von Kreta. Ikarus flog zu hoch, kam der Sonne zu
nahe und stürzte ab. Die Flügel lösten sich auf, weil das
Wachs in der Sonne schmolz.
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1
5
0
0
Leonardo da Vinci
(1462–1519)
Erfinder
Gebrüder
Montgolfier
Heißluftballon,
auch „Montgolfiere“
genannt.
Flugapparat Jacob Degens
Fallschirm
Hubschrauber
Gleitflugapparat
Schlagflügelexperiment
Leonardo da Vinci
erfindet allerlei
Fluggeräte
Der Ballon hatte
einen Durchmesser
von 14 Metern und
war 21 Meter hoch.
Sein Volumen betrug
20.000 Kubikmeter.
Erfolglos: Der
Wiener Ur-
macher Jacob
Degen scheiter-
te mit seinem
Flugapparat.
Der Auftrieb
reichte nicht
aus, um das
Gewicht des
Apparates
samt Flieger in
die Höhe zu
heben.
Mal
probieren, ob es
mit Schlagflügeln
klappt?
1
7
8
3
3
4
Hoffent-
lich gelingt der Flug!
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8
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13
Otto Lilienthal
(1848–1896)
Ferdinand Graf
von Zeppelin
(1838–1917)
Brüder Orville (1871–1948)
und Wilbur Wright (1867–1912)
„Wright-Zweidecker“ (Typ A)
Motorflugzeug „Flyer I“
Luftschiff „Zeppelin“
Flugapparat des Franzosen Bréant
Gleitflug mit dem
Derwitzer Flugapparat
Die Erfindung: Ein mit Gas gefüllter
Tragkörper, der mit Antriebs- und
Steuermechanismus ausgestattet
war.
Den ersten längeren und
gesteuerten Motorflug
mit Start auf
ebener Fläche
unternahm Orville Wright.
Der Schlagflügelapparat hatte die Gestalt eines Schmet-
terlings. Die Flügelbewegung wurde durch Arm- und
Beinmuskeln erzeugt. Auch dieser Flug konnte nicht ver-
wirklicht werden.
Endlich gelingt das Fliegen. Durch Beobachtung des
Vogelfluges und den daraus gewonnenen Erkenntnissen
entwickelte Lilienthal die Theorie des Fliegens. Beharrliches
Experimentieren, Modellieren und Testen führte schließlich
zum Bau funktionsfähiger Flugapparate.
Der „Flyer I“ hatte eine Spannweite von 12,30 Metern und
war 6,40 Meter lang. Der Motor brachte eine Leistung von
12 PS und war 63,5 Kilogramm schwer.
Der Typ A hatte eine Spannweite von
11,20 Meter, eine Länge von 8,80 Meter
und eine Höhe von 2,45 Meter. Er wurde
mit einem wassergekühlten 30-PS-
Reihenmotor versehen.
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5
4
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0
0
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Los
gehts!
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Militärflugzeug „Albatros“
als Doppeldecker
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a
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12
Boris N. Jurjew
(1889–1957)
Hängegleiter
Jumbojet B-747
Hermann Oberth
(1894–1989)
Space Shuttle von 1981
Hubschrauber
Die Brüder Bréquet aus Frankreich waren 1907 mit
ihrem Hubschrauber „Gyroplane“ die Ersten. Doch der
Russe Boris N. Jurjew entwickelte den Grundaufbau,
der sich heute in der Hubschraubertechnik durchge-
setzt hat: Eine Hubschraube, deren Blätter durch einen
Steuerautomaten verstellt werden können.
Vorläufer der heutigen Drachen- und Gleitschirmflieger
war der Rogallo-Flügel. Er war eine dreieckige flexible
Tragfläche aus Stoff. Diese wurde mit einem Aluminium-
rohrgestell versehen.
Die B-747 war der erste Jumbojet. Je nach Ausstattung
konnten bis zu 550 Passagiere befördert werden. Der
neue Airbus A 380 hat dagegen Platz für 850 Passagiere.
Hermann Oberth schuf mit dem Russen
K.E. Ziolkowski und dem Amerikaner R.H.
Goddard die theoretischen Grundlagen der
Raumfahrt. Oberth erfand die Kegeldüse.
Kegeldüsen
15
zu hoch. Dadurch kam er der Sonne zu nahe, sodass durch die Hitze das Wachs
schmolz. Die Federn lösten sich und Ikarus stürzte ins Meer. Dädalus konnte ihm
nicht schnell genug zu Hilfe eilen und Ikarus ertrank daraufhin in den Fluten des
Meeres. Hätte Ikarus damals schon die Bionik gekannt und angewendet, wäre er
sicherlich nicht abgestürzt. Die genaue Kopie des Vogelflügels zum Zwecke des
Menschenfluges musste scheitern. Später versuchten trotzdem noch viele Erfinder
die Natur zu kopieren. Auch sie mussten im Nachhinein erkennen, dass sich die
Natur nicht so einfach nachahmen lässt.
DAS UNIVERSALGENIE LEONARDO DA VINCI
Leonardo da Vinci kennen wir als einen herausragenden Künstler und Bildhauer
der Renaissance. Seine Gemälde der geheimnisvoll lächelnden „Mona Lisa“ und das
des heiligen Abendmahls gehören zu den bekanntesten Kunstwerken aller Zeiten.
Leonardo war aber auch ein bedeutender Baumeister, Ingenieur und Erfinder. Er
entwarf Stadtpläne und konstruierte Kanäle sowie Festungen. Er erfand Kriegsma-
schinen und Geschütze, Kamera und Schiffskompass, Fallschirm und Hubschrauber,
Flugapparate, Tauchboot und Taucheranzüge, Bohr- und Textilmaschinen, Ham-
mer- und Walzwerke, Getriebe, Pumpen, Kräne sowie eine Reihe von Werkzeug-
maschinen. Er konnte zu seiner Zeit so viel erreichen, weil er die unterschiedlichsten
Wissensgebiete auf noch nie da gewesene Weise miteinander verknüpfte. Dadurch
wurde er zum Universalgenie. Mit seiner unersättlichen Neugier und ausgeprägten
Fantasie erforschte er die Natur und erfand dadurch eine neue, zukunftsweisende
Technik. Sein Forscherdrang und seine Erfindungsgabe kannten keine Grenzen. Das
zeigen auch seine Flugstudien über Vögel und Fledermäuse und der Entwurf von
Flugapparaten vor allem aus seiner Zeit in Florenz. Oftmals machte er Ausflüge in
die nähere Umgebung und stieg dabei auf den Gipfel des Monte Ceceri. Dort sah
er sehnsuchtsvoll vom Gipfel auf das nahe Florenz herab. Er träumte davon, sich
mit Flügeln durch die Luft auf die Stadt hinzubewegen.
Um den Traum vom Fliegen zu verwirklichen, bedurfte es eines Apparates,
der den Flug der Fledermaus nachahmen sollte. Er dachte, dass es möglich wäre,
mit Einfallsreichtum und Wissen die Schwerkraft zu überwinden. Es folgten ein-
gehende Beobachtungen zum Vogel-, Insekten- und Fledermausflug.
