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

www.knabe-verlag.de

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 [e-mail]

Illustrationen Prof. em. Dr. Bernd Hill

Fotos Seite 10: © Victorgrigas; Seite 24: © Norbert Potensky; Seite 30: © Peter Mildner;

Seite 31: © Krzysztof [e-mail];

Seite 56: © Ben [e-mail]; 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,

6



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.

7

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

8

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

10

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

11

festgestellt. Urwaldriesen können Höhen von fast 100 Metern erreichen. Mam-

mutbäume sogar 120 Meter. Höher geht nicht, da sie dann viel zu schwer werden

würden. Dadurch könnten sie sich nicht mehr halten. Diese Tatsache gilt auch

für alle Bauwerke, wie Wolkenkratzer und Fernsehtürme. Auch die größten auf

der Erde lebenden Tiere, wie früher die Dinosaurier und heute die Wale und Ele-

fanten, hatten und haben ihre Maximalgröße erreicht. Größer geht nicht, denn

die Naturgesetze lassen das nicht zu.

Es geht nicht darum, naturgetreue Kopien von Lebewesen anzufertigen und

sie dann in die Technik zu übertragen. Aber was von der Natur übertragbar ist,

sind die vielen Gestaltungsanregungen und Prinzipien, die wir in kreativer Wei-

se nutzen können. Die Natur zeigt uns an vielen Beispielen, wie leistungsfähig

ihre Strukturen und Mechanismen sind, und das bei geringstem Material- und

Energieeinsatz. Es lassen sich noch viele Leichtbauprinzipien bei Pflanzen und

Tieren entdecken und nach ihrem Vorbild Material sparende Konstruktionen

entwickeln.

Wir können diese Prinzipien aufdecken und mit unseren kreativen Fähigkei-

ten so weiterentwickeln, dass daraus neue technische Lösungsmöglichkeiten für

den Leichtbau entstehen.

Dieser Band zeigt, wie man von den natürlichen Leichtbauprinzipien lernen

kann – die dabei dargestellten Methoden helfen bei der Entschlüsselung der

Naturgeheimnisse und ihrer Übertragung in die Technik.

12

I

n einer Auto-Reparaturwerkstatt:

Der ständige Umgang mit einer Zange bereitete einem Schlosser ziemliche Schwie-

rigkeiten. Sie war zu schwer und ließ sich daher gar nicht so einfach in der Hand

halten. Er überlegte, wie die Zange leichter gemacht werden könnte. Vor ihm auf

dem Tisch lagen stählerne U-Profilstangen. Wenn sich nun die beiden Griffe aus

solchen Profilstangen fertigen ließen, wäre das Problem gelöst – überlegte der

Schlosser. Die Idee für den Profilgriff einer leichteren Zange war „geboren“ – eine

beträchtliche Materialeinsparung bei gleichzeitiger Sicherung der Stabilität.

Das nennt man Leichtbau.

Materialeinsparung durch Profile

LEICHTBAU – WAS IST DAS?

2

Materialeinsparung durch U-Profil an den Zangengriffen

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Mit Leichtbaukonstruktionen in Form von Brücken beschäftigte sich schon das

Universalgenie der Renaissance Leonardo da Vinci (1452–1519). Wir kennen ihn

als einen hervorragenden Künstler, der die Mona Lisa geschaffen hat. Er war

aber auch ein genauso erfolgreicher Baumeister, Wissenschaftler und Erfinder.

Damals hat er schon viele Erfindungen, wie beispielsweise Kamera und Schiffs-

kompass, Tauchboot, Schnorchel und Taucherbrille, Hubschrauber und Flugge-

räte, Drehmaschinen sowie Wasserräder hervorgebracht. Auch erfand er eine

einfache Brücke, die sich schnell auf- und abbauen ließ. Sie war außerdem leicht

zu transportieren und bei Gebrauch äußerst stabil. Ihre Besonderheit bestand

darin, dass die Bauweise aus Holzstämmen ohne Nägel, Schrauben und anderen

Verbindungselementen auskommen konnte und trotzdem ihre erforderliche

Stabilität sicherte.

Die Brücke von Leonardo da Vinci

Zeichnung

Brückenmodell aus Holzleisten

Prinzip der Brückenkonstruktion

F

G

F

R

F

A

F

B

F

R

F

G

Gewichtskraft

F

R

Reibkraft

F

A

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F

B

Lagerkräfte

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Der Vorteil der Brückenkonstruktion bestand darin, dass sie sich durch Be-

lastung bis zu einem gewissen Grad stabilisierte. Die Stabilisierung wurde durch