Methoden in der Bionik: Überkritische Froude-Zahlen

Methoden in der Bionik. Kritische Froude-Zahlen

Bionik ist immer dann erfolgreich, wenn es uns gelingt, Phänomene der belebten Natur erfolgreich auf Künstliches zu übertragen, auf Technik, auf Schiffe und Yachten beispielsweise. Wir betrachten den Wellenwiderstand und Seefahrzeuge die, um sich Voranzubewegen, ihre Antriebsenergie in das Fluid einkoppeln. Ein Schiff in Fahrt verursacht aufgrund seines gegebenen Volumens und Gewichts eine Verdrängung des Fluids und damit eine Ausweichströmung um den Störkörper herum. Wellen entstehen. Bei einer Fahrt ohne Welle, wäre die gesamte Antriebsenergie in Fortbewegung umgesetzt. Der Wellenwiderstand wäre nur minimal klein oder sogar ganz verschwunden. Eine griffige Regel könnte also lauten: Vermeide die Welle und Du bist schnell. Was aber geschieht, wenn ein Seefahrzeug einen „überkritischen Prozess" in Gang setzt, sprich: Wellen provoziert?

Auf eine handliche Weise quantifiziert dabei die dimensionslose Froude-Zahl den komplexen überkritischen Fahrzustand für einen ersten Überblick.

Natürlich sind die Motorbootfahrer die Schlimmsten. Daran besteht keinerlei Zweifel. Sie kennen keine Vorfahrtsregeln, fahren mit einer Riesenwelle rüber in das Wasserskigebiet, Vollgas, am Steuer der Marlboro-Mann, während sich auf dem Deck vorne die Mädels räkeln. Sehr unanständig.

Das alles ist mit einem guten Fernglas genau zu sehen. Als Segler würde man das ganze Ausmaß dieser Geschmacklosigkeit sicher noch besser erkennen können, mit mehr Übung, wenn nur das eigene Boot nicht so schwanken würde, der Wellen wegen. Es sind die Wellen des Marlboro-Mannes.

Empört fasse ich zusammen: Horsepower, Übergeschwindigkeit, Blondinengrill, Regelwidrigkeiten, kurz: Motorboot fahren ist eine Provokation. Dazu noch dieser Wellenfrevel, unverschämt.

Regattasegler dagegen sind wahre Sportler. Der Segler als Solcher ist tolerant, einfühlsam und intelligent. Der Segler kann auch eine Frau sein. Er besitzt keine Vorurteile, lebt im Einklang mit der Natur. Trägt warme Wäsche. Seine Freizeit verbringt der Regattasegler damit, von morgens bis abends um drei rot angestrichene Fässer zu fahren. Unter Einhaltung der international geltenden Wettfahrtregeln; „Racing Rules" sagt man, sofern man sich einigermaßen gebildet auf dem Wasser bewegen und ausdrücken kann. An jeder Luvtonne dann einen Sherry, .. oh, falscher Text. Ist der See auch noch so klein, lässt sich eine Regattatonne exakt, also mit GPS-Präzision, verlegen. Diese Tätigkeit verlangt Mut, Kraft und ein Abitur. Flauten sind für einen Segler kein Problem. Im Gegenteil; sie stählen seine mentale Reife. Außer er muss mal. Das Tonnenlegen soll - nach einer ungeschriebenen, international aber anerkannt wichtigen Regattaregel, nicht bekannter Herkunft - mit einer hohen Geschwindigkeit und von einem Motorboot aus erfolgen. In diesem singulären Fall sind Wellen schon aus rein physikalischen Gründen nicht zu vermeiden. Es handelt sich aber um ökologisch gute, freilaufende Wellen. Ich werde im Rahmen einer wissenschaftlichen Tirade in diesem Aufsatz auf diesen Umstand zurückkommen. Ich fasse zusammen: Segeln, hurra, hurra, hurra.

Biologie. 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 optimierte Funktionen, wir bewundern die von einer Einfachheit getragene Eleganz in Gestalt und Dynamik der Lebewesen.

Die Biosystemanalyse schafft den Stoff, aus dem Bioniker Lösungen generieren. Lernen von der belebten Natur. Das Entschlüsseln physikalischer Phänomene, das Übertragen erfolgreicher Gestaltungsprinzipien auf Technik: Bionik. Die Erfahrung zeigt, dass gerade das Wechselwirken der biologischen Systeme mit ihrer Umwelt die signifikanten Effekte hervorbringt, die den Bioniker interessieren und die er zur Quelle seiner Konzepte, vielleicht seiner Visionen macht. Biologische Effekte existieren nicht losgelöst von ihren räumlich-zeitlichen Kontext, sie bilden sich aus in den Evolutions- und Adaptionsszenarien, in denen Lebewesen als „Systemgrenze zwischen einer äußeren Welt und ihrem eigenen inneren Milieu" agieren. In einem besonderen Maße gilt dies für Lebewesen, die im Wasser schwimmen oder durch die Luft fliegen können. In Fluidische Wesen, in Fische und Vögel, in fliegende Insekten und Meeressäuger hat die biologische Evolution enorm viel Entwicklungsarbeit investiert, sie sind hoch optimiert. Wir kommen gleich darauf zurück.

Technik. William Froude [fru:d], war englischer Schiffbauingenieur, Forscher und Mitglied der ehrwürdigen Royal Society. Froude war Zeitgenosse Carnots und Reynolds. Er starb 1879 im Alter von 68 Jahren in Simonstown, Südafrika. Gegenstand seiner Forschung war u. A. der Widerstand, den ein Schiffsrumpf in Fahrt an der Wasseroberfläche erleidet. Froude stellte als Erster zuverlässige Formeln für den Wellenwiderstand und für die Stabilität eines Schiffes auf. Eine auf den Arbeiten von Froude beruhende Berechnungsgröße ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des von einem Schiff generierten Wellensystems. Die Geschwindigkeit, bei der ein Schiff in Verdrängerfahrt quasi in diesem Wellensystem zwischen Bug- und Heckwelle gefangen bleibt, die so genannte Rumpfgeschwindigkeit v des Schiffes, ist der theoretische Maximalwert für die Höchstgeschwindigkeit.

Die Rumpfgeschwindigkeit v ist proportional der Quadratwurzel der Wasserlinienlänge L des Schiffes, also: v² ~L. Die Formel besagt, dass die maximale Geschwindigkeit eines Schiffes von der Länge der Lücke (der Wasserlinienlänge L) zwischen Bugwelle und Heckwelle abhängt. Dies deckt sich mit dem Erfahrungssatz aller Seefahrenden: „Länge läuft". Längeren Schiffen schreibt diese Faustformel eine höhere Geschwindigkeit zu, als kurzen Booten. Diese auch dem subjektiven Empfinden nach richtige Aussage gilt für halbtauchende, nicht aufgleitende, sich also in Verdrängerfahrt befindliche Schiffe. Die Tabelle zeigt die (theoretischen) Höchstgeschwindigkeiten v (in den Dimensionen [kn], [kmh^-1 ] und [ms^-1 ]) einiger Schiffe unterschiedlicher Länge L:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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