Diese Erfindung betrifft eine Finne zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge. Auf den Tragflügeloberflächen sind teilbewegliche, elastische Anflügel platziert. Die Anflügel sind belastungsadaptiv derart, dass es in Abhängig von den Strömungsverhältnissen an und nahe des Anflügels zu einer Auslenkung des elastischen Anflügels in die Umströmung der Finne kommt. In Fahrt und beim Manövrieren besitzen die Finne und der Anflügel ein Auftrieb bedingtes Wirbelgeschehen an ihren Randbogenkanten.
Das aus der physikalischen Wechselwirkung resultierende, spiralige Wirbelmuster aus Hauptwirbel der Finne und Partialwirbel des strömungsadaptiven Anflügels enthält Strömungsanteile in und parallel zur Bewegungsrichtung der Finne. Das führt zu einer fluidmechanischen Induktion und zu einer Verbesserung des Strömungsgeschehens um die Finne. Das strömungsadaptive Finnensystem ist einsetzbar als Leit- und Steuertragfläche an Surfboards und anderen kleinen Seefahrzeugen.
„Transactions in suffering Innovations“
Ideen verbrennen im Park
Der Wedding ist heute wunderschön und ich fühl' mich seltsam stark.
Was hält mich da noch im Labor?
Wir gehen zum Led Zeppelin, der gefällt mir mehr als je zuvor, bei ungefähr tausend Kelvin.
Komm, lass uns Patente verbrennen im Park.
Mi. Berlin 2016
Den Ausführungen sei ein Traktat vorangestellt. Die Textbeiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations“ besitzen ein dynamisches Format und sind, beginnend im November 2016, in folgender Weise geordnet und Überschrieben:
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Traktat
über die Beiträge zum Stand der Technik und zu den „Transactions in Suffering Innovations“
Die „Transactions in Suffering Innovations“ bilden eine Sammlung von Schriften über Artefakte im Themenfeld Biologie & Technik, die in loser Reihenfolge erscheint. Es besteht durchaus die Absicht, den Stand der Technik zu verändern.
Gegenstand der Beiträge zu den Schriften der „Transactions in Suffering Innovations“ sind Artefakte, Problemlösungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre Umsetzung. In ausgesuchten Fällen sind Technische Beschreibungen nach Standards des Deutschen Patent und Markenrechts1 verfasst.
Mit den „Transactions in Suffering Innovations“ soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefördert werden, dass die dargestellten notleidenden Artefakte, Problem- und Gestaltungslösungen frei von Rechten Dritter sind und mit ausdrücklicher Genehmigung dem Leser zur Nutzung verfügbar werden.
In den „Transactions in Suffering Innovations“ werden ausschließlich Artefakte offeriert, die nicht unter das Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG2 fallen oder in der Vergangenheit fielen.
Die in den „Transactions in Suffering Innovations“ dargestellten Artefakte sind insofern notleidend, da sie einerseits aus materieller Not nicht weiterverfolgt werden, ein Umstand der sich vielleicht wieder ändern mag. Andererseits sind die dargestellten Artefakte notleidend, weil sie möglichweise auftretender oder voranschreitenden geistigen Umnachtung zum Opfer zu fallen drohen; ein Umstand der sich wohl nicht mehr ändern wird.
Als Übergeordneter Absicht gilt es solche Forschung anzustoßen, die Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik.
Die Beiträge zum Stand der Technik und den „Transactions in Suffering Innovations“ sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text wird gegebenenfalls eine teilweise oder vollständige Übersetzung in englischer Sprache beigestellt. In einer Ausgabe der Schriftensammlung wird jeweils nur ein Werk platziert. Den Ausführungen wird gegebenenfalls ein Prolog vor und ein Epilog nachgestellt.
Mi. Dienst
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Technische Beschreibung
Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem
Die Erfindung betrifft eine Finne zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge. Auf den Tragflügeloberflächen sind teilbewegliche, elastische Anflügel platziert. Die Anflügel sind belastungsadaptiv derart, dass es in Abhängig von den Strömungsverhältnissen an und nahe des Anflügels zu einer Auslenkung des elastischen Anflügels in die Umströmung der Finne kommt. In Fahrt und beim Manövrieren besitzen die Finne und der Anflügel ein Auftrieb bedingtes Wirbelgeschehen an ihren Randbogenkanten.
Das aus der physikalischen Wechselwirkung resultierende, spiralige Wirbelmuster aus Hauptwirbel der Finne und Partialwirbel des strömungsadaptiven Anflügels enthält Strömungsanteile in und parallel zur Bewegungsrichtung der Finne. Das führt zu einer fluidmechanischen Induktion und zu einer Verbesserung des Strömungsgeschehens um die Finne. Das strömungsadaptive Finnensystem ist einsetzbar als Leit- und Steuertragfläche an Surfboards und anderen kleinen Seefahrzeugen. Die Art und Weise der Anmontage der Finne an ein Seefahrzeug ist nicht Gegenstand der Erfindung.
Stand der Technik und der Wissenschaft. Leitflächen an Surfboards
Ein Strömungsprofil bezeichnet die Querschnittgeometrie von Kraft- und Arbeitstragflügeln in Strömungsrichtung des umgebenden Fluids. Kontur bezeichnet dabei die umhüllende Gestalt eines Strömungskörpers. Entscheidend für die Ausbildung von Wirbeln im Nachlauf der Finne in Fahrt, ist die Kontur des Randbogens eines Auftrieb generierenden Tragflügels.
Finnen. Zum Lateralplan eines Seefahrzeugs zählen alle fluidmechanisch wirksamen Leit- und Steuertragflächen im Unterwasserbereich. Surfboards sind kleine Seefahrzeuge, die in der Regel nur eine Person und keine weitere Ladung transportieren. Surfboardfinnen sind als Leit- und Steuertragflächen im Bereich des Hecks eines Surfboards fluid-mechanisch wirksam.
Für die Montage von unterschiedlichen Finnen an Surfboards sehen die Hersteller unterschiedlich standardisierte Einbauflansche vor.
Bei Surfboards in Fahrt und beim Manövrieren ist neben der hohen mechanischen Belastung der strömungsmechanisch wirksamen Bauteile im Bereich des Unterwasserschiffes, die optimale und an Strömungswiderständen arme Funktionsweise entscheidend für die Fahrleistung. Grundsätzlich sind bei leistungsoptimierten Seefahrzeugen vom Stand der Technik und all ihren Bauteilen Robustheit, Formhaltigkeit, Funktion und Lebensdauer (Resilienz) bei geringem Gewicht von Bedeutung. In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksame Leitflächen im Unterwasser-bereich mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus immer dann, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Dies gilt insbesondere für singuläre Finnen mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik.
Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Surfbrettfinnen resultierende Querkraft wird beim Manövrieren genutzt. Bei Geradeausfahrt stabilisiert der Finnentragflügel die Gesamtbewegung des kleinen Seefahrzeugs.
Surfbrettfinnen nach Stand der Technik sind üblicherweise aus (symmetrisch- profiliertem) Vollmaterial. Für das Flügelende der Leit- und Steuertragfläche, insbesondere den Randbogen (die Kontur des vom Surfbrettkörper abweisenden, freien Surfbrettfinnenflächenendes) sind unterschiedliche Formen bekannt. Surfboardfinnen mit symmetrischem Profil in Fahrt und nach Stand der Technik lösen Manövrieraufgaben und schaffen Richtungsstabilität.
Nach der Theorie von Prandtl und dem Theorem von Kutta-Joukowski [W2], es beschreibt in der Strömungslehre die Proportionalität zwischen dynamischen Auftriebs und Zirkulation, bilden fluidmechanisch wirksame Tragflügel oberhalb der Tragfläche ein negatives und unterhalb der Tragfläche ein positives Druckfeld aus. Im Falle der Querkrafterzeugung sprechen wir von einer Luvseite der Tragfläche (relativer positiver Druck) und einer Leeseite des Tragflügels (relativer negativer Druck). Der physikalische Umstand des Druckgradienten um einen Auftrieb generierenden Tragflügel schafft Optionen bei der Gestaltung artifizieller, technischer strömungsadaptiver Flügel [Voss-15].
Stand der Wissenschaft, Biologie und Bionik.
Die belebte Natur hat in den Jahrmillionen der biologischen Evolution äußerst effiziente und Ressourcen schonende Lösungen hervorgebracht. Aufgabe der Bionik ist es, Prinzipien der belebten Natur zu entschlüsseln, mit dem Ziel, diese auf künstliche Systeme, auf Artefakte, ja letztendlich auf Maschinen zu übertragen. Bionik verbindet die Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften [Nach-98] [Die-09].
Flossen und Finnen von Fischen und Meeressäugern dienen der Propulsion, dem Manövrieren und dem Stabilisieren der fluidischen Bewegung des Lebewesens in Fahrt. Biologische Flossen sind ihrer Art nach sowohl aktive Propulsions-, Leit- und Steuerflächen und können passive und strömungsadaptive Aufgaben übernehmen.
Die Arme und Hände der Wirbeltiere sind bei Vögeln zu komplexen, gefiederten Auftriebsaggregaten entwickelt. Die Evolution der Vogel-flügel ist ein gut untersuchtes biophysikalisches Phänomen. Eine Besonderheit bleibt bis heute die flugbiologische Funktion der Daumenfittiche (Alula spuria, englisch, auch: „bastard wing“), die die Federn am Daumen des Vogelflügels bezeichnen. Bei Landseglern sind die Daumenfittiche ausgeprägt und werden dort in Flugmanövern am häufigsten prozessiert. Nach Stand der Wissenschaft und Lehrmeinung zum Vogelflug, hat der Daumenfittich die Aufgabe, die Luftströmung über dem Flügel auch bei steilem Anstellwinkel nicht abreißen zu lassen, so dass der dynamische Auftrieb des Flügels erhalten bleibt. Die Alula erfüllt demnach die gleiche Aufgabe wie der Vorflügel bei Flugzeugen [W1] [Nach-71] [Perez-01].
Jüngere theoretische Untersuchungen an numerischen Tragflügelmodellen deuten darauf hin, dass dem aufgefiederten Vogelflügel im fluidi-schen Nachlauf der Tragfläche ein spiraliges Wirbelsystem folgt [Felg-23]. Das als fluidmechanische Wirbelspule (WSP) bezeichnete Wirbelsystem unterstützt physikalisch wirksamen Impulsaustausch, der zu einem Schub in der Strömung führt. Diese Schubkraft wirkt dem fluidischen Wider-stand des biologischen Flugsystems entgegen und mindert ihn. Die Simulationsergebnisse aus numerischen Modellen fluidmechanischer Wirbelspulen legen die Vermutung nahe, dass die Daumenfittische der Landsegler einen Beitrag leisten zur Ausbildung fluidmechanischer Wirbelspiralen und somit das Widerstandsgebaren des Gesamtsystems beeinflussen.
Problembeschreibung
Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen, wie etwa Surfboard-finnen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beauf- schagbarkeit im Betrieb auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen, von Seefahrzeugen im Allgemeinen symmetrische Profile. Schlanke symmetrische Tragflächenprofile haben geringe Auftriebsbeiwerte CL>0.5. Beim Manövrieren mit symmetrisch profilierten Finnen sind die erforderlichen Querkräfte deshalb mit relativ großen Widerstandskräften verbunden.
Problemlösung
Das Widerstandsgebaren des Gesamtsystems wird beeinflusst dadurch, dass die symmetrisch profilierte Finne auf beiden Tragflächenseiten je ein zusätzliches biegeflexibles Tragflügelelement, nachfolgend Anflügel genannt, besitzt.
Im auftriebslosen Fall liegen beide Anflügel an. Beim Manövrieren und im Falle der Querkrafterzeugung der Finne gibt es auf der Luvseite des Tragflügels einen relativen positiven Druck und auf der Leeseite einen relativen negativen Druck. Auf beiden Seiten der Tragfläche befindet sich ein fluidmechanisch wirksamer Anslügel. Der Anflügel auf der Leeseite „steilt“ sich selbstständig und strömungsadaptiv auf immer dann, wenn die Finne Querkraft erzeugt und am Anflügel ein relativer Unterdruck herrscht. Der Anflügel auf der Leeseite liegt an, denn hier herrscht ein relativer Überdruck. Also kommt es zu einem nichtsymmetrischen Strömungsgebaren und zur Ausbildung von zwei induktionswirksamen Wirbelfäden. Der Wirbelfäden am Hauptflügel und der Wirbelfaden am Anflügel bilden gemeinsam ein spiraliges Wirbelsystem aus. Das Wirbelspulensystem muss nicht radialsymmetrisch sein.
Erreichbare Vorteile
Der Beitrag des Anflügels zum Gesamtauftrieb der Finne ist vergleichsweise gering. Allerdings erzeugt der Anflügel an seinem Randbogen einen induktionswirksamen Wirbelfaden, wie ebenso die Finne am Randbogen der primären Finnentragfläche. Die beiden Wirbelfäden bilden gemeinsam ein spiraliges Wirbelsystem aus. Die fluidmechanische Wirbelspule ist induktionswirksam. Sie erzeugt eine Schubkraft, die der Widerstands-kraft der Querkraft erzeugenden Finne entgegengesetzt ist [Fel-22].
Aufbau und bauliche Ausführung
Die Finne ist symmetrisch ausgeführt und zur gestaltkompatiblen Montage an standardisierte Einbauflansche für Surfboards diverser Hersteller geeignet. Die Einbauflansche und das Terminal der Finne T, sind nicht Gegenstand der Erfindung. Das Seefahrzeug, respektive Surfboard ist nicht Gegenstand der Erfindung.
Merkmale und Erläuterung der Abbildungen Figur 1 und Figur 2.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Der Finnentragflügel F, das Terminal T der Finne, der steuerbordseitige Anflügel A1 und seine steuerbordseitige Basis B1, sowie der backbordseitige Anflügel A2 und seine backbordseitige Basis B2 bilden eine organisatorische und gestalterische Einheit. Der Konturauslauf, Ebene EK, ist ein Merkmal der Finne. Der gezeigte Konturauslauf bewirkt einen energiereichen Randwirbel der Randbogenkontur.
Der Finnentragflügel F und das Terminal T der Finne sind mechanisch steif und bestehen aus rigidem Material (vorzugsweise aus duroplasti-schem Kunststoff). Der steuerbordseitige Anflügel A1 und der back-bordseitige Anflügel A2 sind mechanisch flexibel und bestehen aus elastischem Material. Die Anflügel können somit die Eigenschaften einer an der Basis gebundenen Folie besitzen. Die steuerbordseitige Basis B1 sowie die backbordseitige Basis B2 der Anflügel sind mit dem Finnentrag-flügel F stoffschlüssig gefügt. Für eine mögliche Einbettung der Basis kann gestalterisch eine Einbucht am Tragflügel vorgesehen werden. Vorzugswiese ist der Anflügel gestalterisch als flexible Folie mit Filmgelenken auszuführen.
Art und Ausrichtung der Lagerung der Anflügel an ihrer Basis geben eine Richtung der Auslenkung der Anflügel in der Strömung vor. Liegt die Achse der 3-dim-Lagerung EA in der Ebene der Hauptbewegungsrichtung der Finne EF, ist das Formänderungsgebaren des Anflügels neutral. Liegt die Achse der 3-dim-Lagerung EA in einer anderen Ebene als der Hauptbewegungsrichtung der Finne EF, ist das Formänderungsgebaren des Anflügels nicht neutral. Das Formänderungs-Beaufschlagungs-Verhalten ist agil immer dann, wenn die Achse EA verschoben ist in Richtung Randbogen der Finne. Das Formänderungs-Beaufschlagungs- Verhalten ist gedämpft immer dann, wenn die Achse EA verschoben ist in Richtung der Wurzel des Tragflügels. Die Ausrichtung des Anflügels folgt gestalterischen Erfordernissen.
Weitere physikalische Wirkungsweise
Herrscht auftriebsbedingt ein relativer Überdruck an einer Tragflügelseite, liegt der elastische, belastungsadaptive Anflügel dort an. Herrscht auftriebsbedingt ein relativer Unterdruck an einer Tragflügelseite steilt sich der elastische, belastungsadaptive Anflügel dort auf. Der aufgesteilte Anflügel wirkt nun wie eine partielle Auftrieb erzeugende (Teil-) Tragfläche. Der Tragflügel F der Finne und ein aufgesteilter Anflügel auf seiner Tragflügeloberseite wirken jetzt jeweils wie zwei Auftrieb erzeugende Teiltragflächen. Nach der Theorie von Prandtl und gemäß des Theorems von Kutta-Joukowski [W2] bilden die beiden Auftrieb generierenden Systeme im Nachlauf des Tragflächensystems zwei Wirbelfäden aus. Nach der Phänomenologie der Wechselwirkung zweier benachbarter Wirbelfäden kommt es zu einem Impulsaustausch im Nachlauf der Strömung der Auftrieb erzeugenden Tragfläche und damit zu einer Schubkraft in umgebenen Fluid [Fel-21]. Dies ist ein Beitrag zur Minderung des fluidmechanischen Widerstands des Gesamtsystems.
Ohne Auftrieb und damit fluidmechanisch neutral, besitzt der Tragflügel der beschriebenen Finne eine strömungsmechanisch wirksame und durch die Bauart bedingt zentral- als auch achssymmetrische Profilkontur und ein neutrales Auftriebsgebaren. Im Manöver jedoch besitzt der Tragflügel der Finne ein strömungsmechanisch wirksames und durch die Bauart bedingtes Auftriebsgebaren. Das Wirbelgeschehen am Rand-bogen und in Wechselwirkung, das Wirbelgeschehen an einem Anflügel bilden ein komplexes Wirbel- und Impulsgebilde aus, das den an der Tragflügelkontur der Finne „induzierten Widerstand“ vorteilhaft beeinflusst.
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
A uf die Nennung patentrechtlicher Ansprüche wird an dieser Stelle verzichtet.
Bibliographie, unterstützende Literatur und Entgegenhaltungen
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Entgegenhaltungen
Abb. in Leseprobe nicht enthalten
Häufig gestellte Fragen
Was sind die "Transactions in Suffering Innovations"?
Die "Transactions in Suffering Innovations" sind eine Sammlung von Schriften über Artefakte im Themenfeld Biologie & Technik, die in loser Reihenfolge erscheint. Ziel ist es, den Stand der Technik zu verändern.
Was ist Gegenstand der Beiträge zu den "Transactions in Suffering Innovations"?
Gegenstand der Beiträge sind Artefakte, Problemlösungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik (Technik nach Vorbildern aus der Natur) und ihre Umsetzung. Gelegentlich werden Technische Beschreibungen nach Standards des Deutschen Patent- und Markenrechts verfasst.
Was ist das Ziel der "Transactions in Suffering Innovations"?
Ziel ist es, den Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch zu fördern, dass die dargestellten Artefakte, Problem- und Gestaltungslösungen frei von Rechten Dritter sind und mit Genehmigung zur Nutzung verfügbar gemacht werden.
Was bedeutet es, dass die Artefakte in den "Transactions in Suffering Innovations" "notleidend" sind?
Die Artefakte sind notleidend, weil sie entweder aus finanzieller Not nicht weiterverfolgt werden oder aufgrund möglicher geistiger Umnachtung in Vergessenheit zu geraten drohen.
Was ist das übergeordnete Ziel der Forschung im Zusammenhang mit den "Transactions in Suffering Innovations"?
Das übergeordnete Ziel ist es, Forschung anzustoßen, die Lösungswege der Übertragung biologischer Phänomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang mit Natur und Technik stehen.
Was beschreibt die Technische Beschreibung "Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem"?
Die Technische Beschreibung bezieht sich auf eine Finne zur Anmontage an kleine Seefahrzeuge. Auf den Tragflügeloberflächen sind teilbewegliche, elastische Anflügel platziert, die sich in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen auslenken. Dies soll das Strömungsgeschehen um die Finne verbessern.
Was ist das Problem, das mit der Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem gelöst werden soll?
Das Problem ist, dass Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen, wie z.B. Surfboardfinnen, oft symmetrische Profile haben, die geringe Auftriebsbeiwerte aufweisen. Dies führt zu relativ großen Widerstandskräften beim Manövrieren.
Wie löst die Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem dieses Problem?
Die Finne besitzt auf beiden Tragflächenseiten je einen biegeflexiblen Anflügel. Beim Manövrieren steilt sich der Anflügel auf der Leeseite (Unterdruckseite) selbstständig auf, wodurch ein induktionswirksames Wirbelsystem entsteht, das den Widerstand reduziert.
Welche Vorteile ergeben sich durch die Verwendung der Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem?
Der Anflügel erzeugt an seinem Randbogen einen induktionswirksamen Wirbelfaden, der mit dem Wirbelfaden der Finne ein spiraliges Wirbelsystem bildet. Dieses System erzeugt eine Schubkraft, die der Widerstandskraft der Querkraft erzeugenden Finne entgegenwirkt.
Wie ist die Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem aufgebaut?
Die Finne ist symmetrisch ausgeführt und zur Montage an standardisierte Einbauflansche für Surfboards geeignet. Der Finnentragflügel und das Terminal sind steif, während die Anflügel flexibel sind und aus elastischem Material bestehen. Die Basis der Anflügel ist mit dem Finnentragflügel stoffschlüssig gefügt.
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- Michael Dienst (Author), 2024, Finne mit strömungsadaptivem Anflügelsystem, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1441080
