Buch lesen: «Bionik»
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BIONIK
Knabe Verlag Weimar
Leichtbau
Bernd Hill
1. Auflage Juni 2014
©
2014 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
Dieses Buch folgt den Regeln der neuen deutschen
Rechtschreibung.
ISBN 978-3-944575-06-3
BERND HILL
wurde 1947 geboren. Er studierte an der PH/Univer-
sität 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 cwhiteharp@www.freeimages.com
Illustrationen Prof. em. Dr. Bernd Hill
Fotos Seite 10: © Victorgrigas; Seite 24: © Norbert Potensky; Seite 30: © Peter Mildner;
Seite 31: © Krzysztof Szkurlatowski@www.freeimages.com;
Seite 56: © Ben Johnson@www.freeimages.com; Seite 60: © Olivier Cleynen
Alle hier nicht mit anderer Quelle benannten Fotos stammen vom Autor.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort .................................................................................................................................... 5
1
Einleitung .............................................................................................................................. 7
2
Leichtbau – was ist das?.................................................................................................. 12
3
Geheimnissen des Leichtbaus in der Natur auf der Spur .............................. 17
4
Das Minimum-Maximum-Prinzip ............................................................................ 27
5
Lebende Natur physikalisch betrachtet ................................................................ 32
6
Tragwerke in Natur und Technik.............................................................................. 61
7
Vom technischen Problem zur Lösung .................................................................. 71
Arbeitsblatt 1:
Entwicklung, Bau und Erprobung von Brückenmodellen . . 84
Arbeitsblatt 2:
Ermittlung der Tragfähigkeit von Kuppelkonstruktionen. . 86
Arbeitsblatt 3: Stabilität durch Leichtbauprofile .............................................. 88
Arbeitsblatt 4: Faltwerke in Natur und Technik .............................................. 91
Arbeitsblatt 5: Möglichkeiten der Druckerzeugung
in pneumatischen Tragwerken (Traglufthalle).................... 92
Literatur ............................................................................................................................................ 93
Register .............................................................................................................................................. 95
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):
M
it dem dritten Band „Leichtbau“ wird die Buchreihe unter dem
Motto „Frag' die Natur“ fortgesetzt. Diese Reihe wendet sich an eine breite Leser-
schaft. 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 Handeln 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. Anschaulich werden Methoden des Problemerkennens und
5
Lernen von der Natur
VORWORT
-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 Natur-
phänomene und ihre Nutzung.
Die Bände enthalten:
Sachinformationen über interessante und erstaunliche biologische und
technische Phänomene,
Abenteuer des Entdeckens und Erfindens in Form von Bildergeschichten,
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Denk- und Arbeitsweisen von Entdecker- und Erfinderpersönlichkeiten,
nützliche Methoden zur individuellen Erschließung von Natur und
Technik
und spannende Experimente zur Erkenntnisgewinnung und Selbstbau-
Anleitungen zur praktischen Erprobung.
Im fortlaufenden Text dienen folgende Symbole zur Orientierung:
Viel Spaß beim Lesen,
Forschen und Experimentieren.
i
Infobox zur Begriffserläuterung
8
Modelle
l
Methoden zur Erkenntnis-
T
Experimente
gewinnung und -umsetzung
M
u
schel- und Schneckenschalen, Faltwerke von Insektenflügeln und
Palmblättern, Fruchthüllen sowie vielfältige Profilformen von Knochen und
Pflanzenstängeln begegnen uns in der lebenden Natur auf Schritt und Tritt. Bei
Spaziergängen in der Natur entdecken wir beim aufmerksamen Beobachten
die einmalige Schönheit, Vielgestaltigkeit und Leistungsfähigkeit von Pflanzen
und Tieren. Der auf den ersten Blick unscheinbare Käfer am Wegesrand, der
im Wind sanft schaukelnde Grashalm, die feinen waagerecht abstehenden
Faltflügel der Libelle – sie alle können uns interessante Anregungen für tech-
nisches Gestalten liefern. So verfügt der Chitinpanzer des Käfers aufgrund
seiner Sandwichbauweise über enorme Stabilität bei geringem Materialauf-
wand, der Grashalm durch seinen kegelstumpfförmigen Röhrenaufbau über
hohe Knicksteifigkeit und der Libellenflügel biegt sich durch die Längsfaltung
nicht durch.
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Die Vielfalt der Natur
EINLEITUNG
1
Fähigkeit eines Systems (z. B. Getreidehalm) nach einer Störung durch
äußere Einwirkungen (z. B. Sturm) wieder in den Ausgangszustand zurückzukehren
(siehe auch Begriff: Elastizität).
Stabilität
i
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Bei genauerer Untersuchung könnte uns der Aufbau des Chitinpanzers An-
regungen für den Leichtbau in der Technik liefern, der Grashalm für hohe Bau-
werke, wie Türme und Sendemasten und das Faltwerk der Libellenflügel für
selbsttragende Überdachungen.
Bleiben wir beim Grashalm. Er unterliegt bei Windbelastungen der Bean-
spruchung auf Biegung. Auch wenn wir uns auf das Fahrrad setzen, wird der
Rahmen durch unser Körpergewicht der Biegung ausgesetzt. Grashalm und
Fahrradrahmen, zwei unterschiedliche Konstruktionen aus Natur und Technik,
widerstehen jedoch aufgrund ihres speziellen Aufbaues diesen Kräften bis zu
einer gewissen Höchstbelastung, die durch die Stabilität des Aufbaues erreicht
wird. Der Grundaufbau, das Rohr bzw. das Hohlprofil ist gegenüber Biegekräften
widerstandsfähiger als ein massiver Stab gleicher Masse.
Ein Beispiel für eine stabile Konstruktion ist auch das Hühnerei. Nimmt man
ein rohes Ei mit beiden Enden zwischen Daumen und Zeigefinger und versucht
dieses zu zerdrücken, reicht die Kraft der menschlichen Hand nicht aus. Be-
rechnungen haben nämlich ergeben, dass die Gestalt des Eies enorme Stabilität
aufweist. Wird ein Ei in der Mitte getrennt, so erhält man zwei Schalenhälften.
Beide Hälften zeigen das Bauprinzip von Kuppeln.
Dieses Bauprinzip ist in der Architektur eine häufig angewandte Bauweise
bei Kirchen, Domen, Palästen und Kuppeln von Kernkraftwerken. Die Scha-
len von Kuppeln bestehen in der heutigen Zeit aus Beton und sind sehr stabil.
Daher besitzen sie auch eine wesent-
lich größere Tragfähigkeit gegenüber
einfachen Plattenkonstruktionen. Die
naturnahe Kuppelform fügt sich als
biologisches Design außerdem noch
ansprechend in die Landschaft ein.
Aber das Ei in seiner meisterhaf-
ten Konstruktion ist nur ein Beispiel
von unendlich vielen Bauweisen
der lebenden Natur, von denen der
Mensch lernen kann.
Doch Vorsicht – die Natur lässt
sich nicht kopieren und ihre Konst-
Stabilität des Hühnereies
F
Druck
F
Druck
F
Gegen
F
Gegen
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ruktionen lassen sich kaum nachbauen. Aus ganz bestimmten physikalischen
Gründen, kann beispielsweise der schlanke Bau des Grashalmes nicht einfach
vergrößert auf Türme und Wolkenkratzer übertragen werden.
BÄUME WACHSEN NICHT IN DEN HIMMEL
Jede Pflanze und jedes Tier hat einen bestimmten und begrenzten Bereich für
seine Größe. Deshalb kann ein Eichhörnchen nicht so groß sein wie ein Rind,
ein Nilpferd nicht so klein wie eine Maus und ein Getreidehalm nicht so hoch
wie eine Pappel sein. Auch ist es unmöglich einen Getreidehalm zu finden, der
so hoch ist wie ein Fernsehturm. Ameisen können das Vielfache ihres Körperge-
wichtes tragen. Das kann man beobachten, wenn eine Ameise eine fette Raupe
durch die Gegend transportiert. Wir Menschen können kaum mehr tragen als
unser eigenes Gewicht ausmacht. Auch Flugzeuge können nur ungefähr so viel
transportieren, wie sie selbst wiegen.
Warum überträgt man nicht einfach den Körperbau von solchen kleinen In-
sekten, wie Ameisen, auf größere Erzeugnisse der Technik? Das geht überhaupt
nicht, denn entscheidend dabei ist die Beachtung physikalischer Gesetze. Die Natur
mit all ihren lebenden Konstruktionen lässt sich nicht 1:1 in die Welt der Technik
übertragen. In Natur und Technik herrschen andere Größenverhältnisse, es gibt
unterschiedliche Materialien und die Bedingungen der Umwelt sind oft auch anders.
Schauen wir uns einmal unterschiedlich große Tiere an, wie Nilpferd und
Maus. Das große Nilpferd ist gegenüber dem kleinen, zierlichen Nager sehr plump
gebaut, hat kurze dicke Beine und einen großen Rumpf. Es ist dabei keineswegs
ein nur maßstäblich vergrößertes Modell der kleinen Maus.
Es gibt beispielsweise Schuppenstrukturen, Tapetenstrukturen, Kristallstrukturen,
Hautstrukturen usw.
Als Struktur bezeichnet man allgemein eine Bauart, ein Gefüge oder eine Anordnung
von Elementen, die ein Muster bilden. Also die Art und Weise, wie ein System
aufgebaut, gegliedert und auch seine Oberfläche beschaffen ist.
Struktur
i
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Im Märchen vom tapferen Schneiderlein ist die rein maßstäbliche Vergröße-
rung des Menschen im Riesen zu finden. Ist so ein gewaltiger Riese denn über-
haupt lebensfähig? Kann er sich überhaupt bewegen? Im Märchen der Gebrüder
Grimm ist das möglich.
Das kleine Schneiderlein und der Riese sind zwar gleich gebaut, aber der Riese
ist um den Faktor 3 größer. Nehmen wir für das tapfere Schneiderlein großzügig
eine Masse von 70 Kilogramm an, dann müsste sich dagegen der Riese mit einer
Masse von 1,89 Tonnen bewegen. Ziemlich schwer für das Knochengerüst des
Riesen. Es ist aber erwiesen, dass die Festigkeit des Knochengerüstes nur pro-
portional der Querschnittsfläche der einzelnen Knochen ist. Das Knochengerüst
des Riesen würde unter dieser Last zusammen-
brechen, wenn er sich bewegen würde. Da die
Querschnittsfläche des Oberschenkelknochens
des Riesen im Vergleich mit dem des Schnei-
derleins zwar 30-mal größer ist und somit eine
30-fach höhere Tragfähigkeit aufweist, muss
er aber auch eine 300-fach höhere Belastung
aushalten. Auf 1 Quadratzentimeter würde der
Riesenknochen dreimal so stark belastet wie
1 Quadratzentimeter des Menschenknochens.
Die Verhältnisse des Wachstums von Fläche,
Volumen und Länge lassen sich anschaulich an
einem Würfel verdeutlichen. Die Oberfläche
des Würfels wächst um das Vierfache, sein
Volumen und damit seine Masse sogar um das
Achtfache – und das nur, wenn man lediglich
seine Kantenlänge verdoppelt. Beim Riesen ha-
ben wir also festgestellt, dass bei seinen großen
Abmessungen das Körpervolumen sehr schnell
wächst und damit natürlich auch sein Gewicht.
Nun wissen wir auch, warum Bäume nicht
in den Himmel wachsen und man Ameisen
nicht einfach vergrößern kann. Das hat schon
Galileo Galilei (1564–1642) durch Berechnungen
