Strömungsadaptive Surfboadfinne mit Polstoffbewehrung

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 Markenrechts^[1] 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 ArbErfG^[2] 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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technische Beschreibung

Strömungsadaptive Surfboadfinne mit Polstoffbewehrung.

Die Erfindung betrifft eine Surfboardfinne, die polstoffbewehrt ist und deren Gestalt sich der beaufschlagenden Strömung selbstständig anformt. Die Belastungsadaption wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenk-getriebes erreicht.

Die Finne ist zur gestaltkompatiblen Montage an standardisierte Einbau­flansche für Surfboards diverser Hersteller geeignet. Das Surfboard und die Einbauflansche (Plugs) für Surfboardfinnen sind nicht Gegenstand der Erfindung. Das Tragflügelteil der Surfboardfinne besitzt eine strömungsme­chanisch wirksame und bauartbedingt, unter neutraler Strömungsbeauf­schlagung eine symmetrische Profilkontur.

Die Profilkontur entsteht durch den Trimm der Polstoffbewehrung.

Stand der Technik und der Wissenschaft. Profile

Ein Strömungsprofil bezeichnet die Querschnittgeometrie von Kraft- und Arbeitstrag-flügeln in Strömungsrichtung des umgebenden Fluids. Kontur bezeichnet dabei die umhüllende Gestalt eines Strömungskörpers. Dreidimensionale Körperkonturen können eben, konvex oder konkav sein. Elastisch flexible Profilkonturen sind Stand der Technik und der Wissenschaft. Flexible Profilkonturen für Surfboardfinnen sind Stand der Technik. Elastische Finnen vom Stand der Technik verhalten sich mechanisch orthodox; dies bedeutet, dass die strukturelle Bauteilverformung der Richtung der beaufschlagenden Kraft folgt.

Stand der Technik. Leitflächen an Surfboards

Surfboardfinnen sind als Leit- und Steuertragflächen im Bereich des Hecks eines Surfboards wirksam. Für die Montage von unterschiedlichen Finnen an Surfboards sehen die marktführenden Hersteller 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 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 bei geringem Gewicht von Bedeutung.

Zum Lateralplan eines Seefahrzeugs zählen alle fluidmechanisch wirksamen Leit-flächen im Unterwasserbereich. Bei Surfboards vom Stand der Technik gehören die als Leitflächen ausgeführten Finnen am Heck zum Lateralplan. In Fahrt bilden fluidmechanisch wirksame Leitflächen im Unterwasserbereich mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik dann einen fluiddynamisch wirksamen Tragflügel aus, wenn eine nicht axiale Anströmung gegeben ist. Dies gilt insbesondere für Surfboardfinnen mit symmetrischem Profil nach Stand der Technik.

Die aus dem hydrodynamischen Auftriebsgebaren der Surfbrettfinnen resultierende Querkraft wird beim Manövrieren genutzt. 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 unterschied-liche Formen bekannt.

Stand der Wissenschaft und Technik. Fasergewirke, Flor und Polstoffe. Fasergewirke werden durch Weben hergestellt. Beispiele sind Polstoffe wie Samt oder synthetischer Pelz. Die Basis des Gewirkes bildet eine Gewebematrix in der Art eines textilen Flächengebildes. Bei der Herstellung von Fasergewirken werden in die Gewebematrix Schuss- oder Kettfäden eingearbeitet. Nach Stand der Technik sind entweder Verknotungen üblich (beim Knüpfen von Teppich) oder das Einnadeln zusätzlicher Fasern, die Schlaufen bilden (bei Webpelz oder Samt). Die Schlaufen werden in einem nachfolgenden Fertigungsschritt aufgeschnitten und ergeben den charakteristischen Faserflor. In die Gewebematrix (Gewirke) kann ein zusätzliches form- und/oder stoffschlüssig gefügtes Gewebe eingebracht werden. Grundbegriffe der Textilien regelt die Deutsche Norm DIN 60 000 Teil1 [1], Grundbegriffe der Gewirke, Gestricke und Polstoffe behandelt DIN 62055 [6]. Es ist Stand der Technik und der Wissenschaft Polstoffe - der Art Fasergewirke verbunden mit Faserflor - auf technische Oberflächen, beispielsweise Tragflügel aufzubringen mit dem Ziel, die Strömungseigenschaften der Bauteile zu verbessern. Eine Gebrauchsmusteranmeldung [8] benennt die Anwendung polstoffbewehrter Kraft- und Arbeitstragflächen (siehe Gebrauchsmuster-Nr. 20 2014 003 336.6, IPC: D 04B 21/02).

Stand der Wissenschaft, Biologie, Pelz.

Aus der Beobachtung schwimmender Säugetiere ist bekannt, dass sich in Fahrt oder beim Manövrieren in Ablösegebieten der turbulenten Außenströmung Fell (Pelz) lokal und sektoral aufrichten kann. Der Stand der Wissenschaft, theoretische Unter-suchungen, Beobachtungen und Laborexperimente legen die Vermutung nahe, dass dieses lokale Aufsteilen des Fells in Art und Wirkungsweise einer lokalen Rückström-bremse funktioniert und so den Ablösepunkt der Konturströmung weiter stromab­wärts verlagert, oder sogar ein Abreißen der Strömung verhindert. Vergleichbare Strömungsphänomene wurden am biologischen Vogelgefieder untersucht. Übertra-gungen auf Technik sind Stand der Wissenschaft und der Technik.

Das Fell einiger an das Wasserleben angepassten Säugetiere, wie Biber, Nutria oder Bisamratten ist heterogen hinsichtlich der Häufigkeit der vorkommenden Haar- und Borstentypen, der Haar- und Borstengeometrien und der mechanischen Eigenschaf-ten der Haare und Borsten, wie etwa Steifigkeit und Elastizität. Das Biberfell beispielsweise besitzt exponierte steife Haare, die so genannten Grannenhaare, deren hydrodynamische Funktion noch weitgehend ungeklärt ist. Beobachtungen legen aber den Schluss nahe, dass die Grannen in der Lage sind, die (Profil-) Grenzschicht des schwimmenden Tieres zu konditionieren.

Stand der Wissenschaft und Technik. Bionik, Ribblets.

In der belebten Natur sind im Laufe der biologischen Evolution der Wasserlebewesen eine Vielzahl fluidmechanisch wirksamer, insbesondere den Strömungswiderstand mindernde Oberflächentypen entstanden. Manche biologischen Oberflächenstruk-turen wurden in der Vergangenheit als Vorbild für die Übertragung biologischer Phänomene in Technik genutzt. Stand der Technik und Wissenschaft sind technische Oberflächen nach dem Vorbild der Delfinhaut [3][4] und der Haihaut [5]. Der den Widerstand mindernde Effekt der Haihaut ist ein gut untersuchtes Phänomen, das auf dem physikalischen Prinzip der Umlenkung von gegenüber der neutralen Axialströmung abweichenden Querströmungsanteilen durch wohldimensionierte (axiale) Oberflächenfurchen - so genannten „Ribblets“ - an der Haioberfläche beruht. Synthetische Ribblets für technische Anwendungen nach dem Stand der Technik werden als auf Bauteiloberflächen konfektionierte Folien oder als Oberflächen-prägungen ausgeführt. Nicht Stand der Technik sind sich der Strömung autoadaptiv anformende synthetische Oberflächenfurchen.

Stand der Wissenschaft. Kinematiken in der Biologie.

Flossen von Fischen und Meeressäugern dienen der Propulsion, dem Manövrieren und dem Stabilisieren des Lebewesens in Bewegung (in Fahrt). Biologische Flossen sind ihrer Art nach aktive Propulsions-, Leit- und Steuerflächen, können jedoch auch passive und strömungsadaptive Auf­gaben erfüllen. Die Flossen mancher Fischarten weisen eine komplexe Konstruktion mit Membranen und mehreren einbeschriebenen Stützstrukturen (Flossenstrahlen) auf.

Bei Wasserlebewesen besitzen die Flossen in der Regel eine in der Tragflächen-wurzel angesiedelte, vielachsig bewegliche Knochengelenk­Kinematik. Eine Vielzahl von Gelenken rezenter Wirbeltierskelette, wie beispielsweise die Mittelhandknochen und die Ellenbogengelenke, bilden komplexe, mehrachsige, räumlich wirksame Getriebesysteme aus. Das Handgelenk rezenter Lebewesen und dessen evolutions-biologisch relevante Frühstadien die als Fossilen vorliegen, können als biologisches Vorbild für eine vielachsige (technische) Kinematik dienen. Das kinematische Wirkprinzip dieser technischen Vielachsen- Scharnier- Kinematik ist jenes von mehreren dreidimensional-räumlich verbundenen, zwangsbewegten Klappen, deren (lokale) Scharnier-Drehachsen gemeinsame, lokale, Schnittpunkte besitzen. Je nach Zuordnung der Freiheitsgrade der im Sinne einer kinematischen Kette ein (lokales) räumliches Getriebe bildenden Scharniere, stellen die zwangskinematischen drei-dimensionalen Winkelbewegungen der Plattenebenen des kinematischen Systems eine Untersetzung, eine Übersetzung oder eine Umlenkung dar. Bei mechanischer Beaufschlagung bilden die beschriebenen Gelenkplattenkinematiken abhängig von der Anordnung der Gelenk- und Fixationsebenen (Knick-) Gewölbeformen aus. 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. Die Bionik verbindet die Naturwissenschaften mit den Ingenieurwissenschaften.

Für die näherungsweise zweidimensionale (ebene) Betrachtungsweise hinsichtlich der Gelenke rezenter Wirbeltierskelette ist es möglich, ein sehr einfaches ebenes kinematisches Gelenkplattenschema herzuleiten, mit dem die Übertragung von Prinzipien biologischer vielachsig-belastungsadaptiver

Zwangskinematiken (i-mech, intelligente Mechanik) auf technische Systeme, insbesondere Leit- und Steuerflächen für Seefahrzeuge gelingt.

Problembeschreibung

(1) Bei Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen, wie etwa Surfboard- finnen und anderen fluidmechanisch wirksamen, Querkraft erzeugenden Tragflächen taucht das Problem der beidseitigen fluidischen Beaufschag- barkeit im Betrieb auf. Deshalb haben Leit- und Steuerflächen, von Seefahr­zeugen im Allgemeinen symmetrische Profile. Dies gilt auch für (zentral angeordnete) Surfboardfinnen. Auf dem Gebiet der Surfboardfinnen sind wölbbare oder scharnierartig ausgeführte Konstruktionen und Bauweisen nicht Stand der Technik. In Fahrt und beim Manövrieren von Seefahr-zeugen sind flexible, nichtsymmetrische Profile für Stabilisatortragflächen wünschens­wert.

(2) Es ist Stand der Technik und der Wissenschaft Polstoffe - der Art Fasergewirke verbunden mit Faserflor - auf technische Oberflächen, beispielsweise Tragflügel aufzubringen mit dem Ziel, die Strömungseigen­schaften der Bauteile zu verbessern.

Beim Manövrieren von Seefahrzeugen und in Fahrt ist Strömungsablösung insbesondere bei beweglichen und starren Leit- und Steuerflächen ein unerwünschtes physikalisches Phänomen. Die Ausbildung einer hydrody­namisch wirksamen Querkraft sinkt drastisch, der Gesamtwiderstand des Fahrzeuges nimmt zu. Es besteht weiter Entwicklungsbedarf auf dem Gebiet der technischen Anwendungen von auf Bauteiloberflächen konfektionierten Folien oder Oberflächenprägungen im Sinne synthetischer Ribblets. Sich der Strömung autoadaptiv anformende synthetische Oberflächenfurchen (zur passiven Grenzschichtkontrolle) sind nicht Stand der Technik aber wünschenswert.

Problemlösung

Die Erfindung betrifft eine Surfboardfinne, deren Gestalt sich (1) der beaufschlagen-den Strömung selbstständig anformt und die (2) polstoff­bewehrt ist. Die Belastungs-adaption wird über die besondere Gestaltung eines über drei Achsen beweglichen Gelenkgetriebes erreicht. Die Profilkontur entsteht durch den Trimm der Polstoffbewehrung.

Zur Problemlösung (1). Die Finne eines Surfboards wird als strömungsadap­tives und profilvariables, fluiddynamisch wirksames Tragflächensystem ausgeführt. Teile des fluiddynamisch wirksamen Tragflächensystems sind dabei in einer Ebene längs der Strömungshauptrichtung beweglich gelagert als Klappenprofil angeordnet. Weitere Teile des Tragflächensystems sind als bewegliche, passiv vom Strömungsdruck beaufschlagbare, also strömungs­adaptive Tragflächen ausgeführt derart, dass diese bei nichtaxialer Anströmung der Finnentragfläche automatisch nach Lee um wenige Winkelgrade ausgelenkt wird und durch eine Mehrachsen- Scharnier­Kinematik dem beweglichen Finnentragflügel zwangskinematisch eine fluidmechanisch günstige Form im Sinne einer Wölbverformung aufprägen. Die leewärtige Passivbewegung der strömungsadaptiven Finnentragfläche folgt der Hauptströmungsrichtung des Fluids. Die Mehrgelenkkinematik wird in zwei Ebenen als Bolzen- und als Gelenk-lager ausgeführt.

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^[1] https://www.dpma.de/patent/anmeldune/index.html

^[2] Am 7. Februar 2002 trat die Novellierung des Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG in Kraft.