Zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung biologischer Finnen

Beitrag zur FSI biologischer und artifizieller Fluidsysteme


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2015

8 Seiten

Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)


Leseprobe

Zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung biologischer Finnen

Beitrag zur FSI biologischer und artifizieller Fluidsysteme

BIONIC RESEARCH UNIT der Beuth Hochschule Berlin Michael Dienst Berlin im Sommer 2015

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 der Gestalt vieler Lebewesen. Die belebte Natur inspiriert Ingenieure zur Entwicklung neuer Produkte und Verfahren.

Aufgabe der Bionik ist es, Prinzipien der belebten Natur zu entschlüsseln mit dem Ziel, diese auf Technik zu übertragen und neuartige Problemlösungen zu entwickeln [Rech-94][Bapp-99][Bech-97][Nach-98][Nach-00].

Die Biosystemanalyse liefert dabei den Stoff, aus dem die Bionik Innovationen generiert. Eingedenk der Komplexität der Lebewesen ist es für einen Ingenieur mitunter bemerkenswert biologischen Gestaltungslösungen zu begegnen, die sich im Laufe der Evolution zu Konstruktionen entwickelt haben und weitestgehend selbstständig und mit geringstem kognitivem und strukturellem Aufwand komplizierte Aufgaben erfüllen. Für dieses Phänomen wurde der Begriff der „intelligenten Mechanik" geprägt[1].

Strahlenflosser[2] sind eine sehr erfolgreiche Klasse der Knochenfische[3], die mit ca. 30.000 bekannten rezenten Arten über 96 Prozent der lebenden Fischarten und damit etwa die Hälfte aller beschriebenen Wirbeltierarten stellen. Obwohl ihre Anatomie und die Mechanik ihres Bewegungsapparates Gegenstand zahlreicher Studien und wissenschaftlichen Untersuchungen ist, wird die Vielfalt von Funktion und Design der namensgebenden Flossenstrahlen, ihr evolutiver Werdegang, das individuelle Wachstum und die Differenzierung während der Individualentwicklung derzeit wenig erforscht. Zuordnungen von Merkmalen und Funktionen der Flossenstrahlen verschiedener Arten mit unter­schiedlichen Fähigkeiten und Gewohnheiten, wie Jagen, Flüchten, Wühlen oder verschiedene Schwimmstile sind teilweise noch völlig unbekannt.

Betrachten wir die Fischflosse im Kontext Fischkörpers, so sind Flossenstrahlen Teil des Wirbeltierskeletts, welches eine Schar fester, gelenkiger (Skelett-) Elemente bildet, die in Zusammenarbeit mit den Muskeln für die Fortbewegung des Wesens wichtig sind. Die sichtbare Membran der Fischflosse wurde im Laufe der Evolution möglicherweise ursprünglich nur von dermalen Schuppen in der sie bedeckenden Haut gestützt. Die Flossen höher entwickelter Knochen­fische werden im inneren Bereich durch eine Reihe schlanker Flossenstrahlen stabilisiert. Grundsätzlich sind die Flossenstrahlen der Knorpelfische schlank, nicht gegliedert, elastisch und heißen Ceratotrichia[4]. Flossenstrahlen der Knochenfische sind breiter, gegliedert, proximal paarig, distal verzweigt und verknöchert und heißen Lepidotrichia[5], Sie werden evolutionsbiologisch von Schuppen abgeleitet beschrieben[W-06][W-06][Hild-01]. Die Schwanzflosse der Strahlenflosser wird innerhalb ihrer fleischigen Basis von mehreren (modifizier­ten) Neuralbögen (Epuralia), Haemalbögen (Hypura-lia[6] ) und Fortsätzen unter­stützt und dient den Fischen zur Vortriebskrafterzeugung, zur Stabilisierung der antriebslosen geradlinigen Fortbewegung und zum Manövrieren.

Wenn das Tier in seiner fluidischen Umgebung Inhomogenitäten auffindet, also ein Geschwindigkeitsfeld respektive einen geeigneten Druckgradienten, kann es dies zur eigenen Mobilität nutzen, indem es sich im Zickzack von Wirbel zu Wirbel hangelt und für diese Art der Fortbewegung nur relativ geringe Muskelkraft aufwendet. Das Zusammenspiel und Wechselwirken von in einer Strömung transportierten Wirbeln mit einer Flossenmembran ist ein grundsätzliches Phänomen wirbel- und inversionsbehafteter Strömung und Gegenstand der Analyse der aktiven und passiven Wirbelkontrollmechanismen von Wasserlebewesen. Die Prinzipien der Wirbelkontrolle sind von großer Bedeutung für das Verständnis, wie Fische schwimmen und manövrieren. Nach Gopalkrishnan et al (1994), Streitlien et al (1996) und Anderson (1996), kann ein harmonisch oszillierender Tragflügel in einer mit großen Wirbeln behafte­ten Strömung vorteilhaft interagieren und Schub erzeugen, wenn sowohl die Wirbelgröße und die Frequenz des harmonisch oszillierendes Profil in der Strömung fitten, also schwingungsharmonisch aufeinander passen. Fluid­Struktur-Interaktion von flexiblen Körpern in wirbelbehafteten Strömungen ist Gegenstand der rezenten Forschung [Gopa-94][Read-02][Ande-99][Albe- 09][Liao-06][Tria-02][Floc-09][Stre-96].

Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung beim Impulsaustausch mit dem Fluid über die Membrantragfläche der Fischflosse, kann produktiv oder generativ sein. Bei einer produktiven Wechselwirkung arbeitet die Flossenmembran als Krafttragfläche und koppelt Energie aus der Strömung in die Membran ein. Bei einer generativen Fluid-Struktur-Interaktion wirkt die Flossenmembran als Arbeitsfläche und koppelt Energie aus der Struktur in das Fluid ein. Produktion und Generation können in einem zeitlich-örtlich ineinander verschränkten, komplexen Gesamtgeschehen stattfinden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Das nichtorthodoxe Beaufschagungs-Bewegungs-Gebaren einer Makrelenfinne. Fotographische Darstellung, Mi. Dienst (2008)

[...]


[1] Siewert, M; Kleinschrodt, H-D; Krebber, B; Dienst, Mi. (2010) FSI- Analyse auto-adaptiver Profile für Strömungsleitflächen. In: Tagungsband, ANSYS Conference & 28th CADFEM Users' Meeting Aachen 2010.

[2] Actinopterygii. Strahlenflosser (Actinopterygii) sind eine Klasse der Knochenfische (Osteichthyes).

[3] Osteichthyes. Knochenfische (Osteichthyes) oder Knochenfische im weiteren Sinne sind diejenigen Fischgruppen, deren Skelett im Gegensatz zu dem der Knorpelfische (Chondrichthyes) vollständig oder

teilweise verknöchert ist. Von den Osteichthyes sind die Knochenfische im engeren Sinne, die Echten Knochenfische (Teleostei), zu unterscheiden.

[4] ceratotrichia. (english) Slender soft or stiff filaments of an elastic protein, superficially resembling keratin or horn (from the Greek keratos, horn, and trichos), hair. Ceratotrichia run in parallel and radial to the fin base and support the fin webs.

[5] lepidotrichia (uncountable, zoology) dermal elements located at the distal margin of fins. Das Erbgut der Neunaugen.. Jeramiah Smith von der University of Kentucky in "Nature Genetics

[6] Hypuralia sind Stützelemente aus dem Schwanzflossenskelett der Echten Knochenfische (Teleostei). Sie bestehen aus vergrößerten Hämalbögen der Schwanzwirbel und bilden den Ansatz der Schwanzflossenstrahlen.

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Details

Titel
Zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung biologischer Finnen
Untertitel
Beitrag zur FSI biologischer und artifizieller Fluidsysteme
Hochschule
Beuth Hochschule für Technik Berlin  (BIONIC RESEARCH UNIT)
Veranstaltung
Bionik
Autor
Jahr
2015
Seiten
8
Katalognummer
V302479
ISBN (eBook)
9783668001664
Dateigröße
878 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
fluid-struktur-wechselwirkung, finnen, beitrag, fluidsysteme
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor), 2015, Zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung biologischer Finnen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/302479

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