Die Geheimnisse im Inneren

Transkript

1 Die Geheimnisse im Inneren Rohr Innenstrukturen in der Natur und Ihre Übertragungen in die Technik als Beispiel für Bottom up Bionik Thea Lautenschläger (Fassung geändert; Beitrag in Grundschule Sachunterricht Nr. 62, 2014: 13 19) Pflanzen wachsen gen Himmel das scheint selbstverständlich. Und doch war das nicht immer so. Bevor sich vor etwa 350 Millionen Jahren das Leben an Land entwickelte, existierten nur Pflanzen, die dank des Auftriebs im Wasser oder auf der Wasseroberfläche schwebend kaum ein Stützgewebe brauchten. An Land aber mussten die Pflanzen auch ihr Eigengewicht tragen. Mithilfe neuer Strategien konnten die Landpflanzen immer größere Höhen erreichen. So ist ein stabilisierendes Stützgewebe eines der Charakteristika von Landpflanzen. In verschiedenen Versuchen untersuchen die Schüler die Besonderheiten des Stützgewebes und stellen Überlegungen an, wie man dieses für die Technik nutzen könnte. Abb.1: (A) Wasserpflanzen, die auf der Wasseroberfläche schwimmen. (B) Bambushalme können bis zu 38 Meter groß werden, sind aber bis auf vereinzelte Knoten innen hohl. (C) Bäume im tropischen Regenwald können dank ihres massiven Holzkerns eine Höhe von über 100 Meter erreichen. Mit der mechanischen Funktion solcher Strukturen beschäftigt sich das Forschungsgebiet der Biomechanik. Es beschreibt natürliche Materialien aus ingenieurstechnischer Sicht. Dies ist tatsächlich eine Herausforderung, da die wenigsten natürlichen Materialien homogen zusammengesetzt sind. Außerdem sind sie variablen Umweltbedingungen ausgesetzt, so dass sie unterschiedlich stark wachsen. Doch gerade die Anpassungsfähigkeit der Pflanzen an verschiedene Umweltfaktoren macht ihre Erforschung so interessant. Pflanzen kämpfen jeden Tag mit ihrem Eigengewicht und dem Wind mal mehr, mal weniger. Andere stehen im Wasser und sind dessen Strömung ausgesetzt. Wie halten sie das aus ohne zu knicken? Oder anders gefragt, ab welcher Belastung brechen sie? Warum sieht ein Schilfhalm am Ufer anders aus als ein Schilfhalm mitten im Gewässer (siehe Abb. 2)?

2 Abb.2: (A) Pflanzenbestand, der ständiger Wasserbewegung ausgesetzt ist. (B) Querschnitt durch die Halme der Meer Simse. links: Halm aus der sicheren Mitte des Bestands; rechts; Halm am Rand, der ständiger Strömung und Wellen ausgesetztt war. Die Steifigkeit wird durch Vergrößerung des Halmdurchmessers erhöht. Prinzipiell sind Pflanzen bestrebt, so materialschonend wie möglich zu z wachsen, denn jedes zusätzliche Wachstum, jede zusätzliche Materialanlagerung kostet Energie. Man kann deshalb davon ausgehen, dass die Strukturen einen guten Kompromiss aus Stabilität und Materialeinsatz darstellen. Die hier vorgestellten Arbeitsblätter widmenn sich der Untersuchung von v Rohrstrukturen und ihren Varianten, wie sie in verschiedenen Pflanzenfamilien vorkommen. Soo findet man hohle Rohre mit vielen eingezogenenn Querwänden zum Beispiel bei vielen Gräsern. Andere Rohre sind nichtt hohl, sondern mit einem schaumartigen Material gefüllt wie beispielsweise die Sonnenblume (siehe Abb.3). Im Laufe der Evolution haben sie sichh für bestimmte Pflanzengruppen alss nützlich herausgestellt. Dieses zusätzliche Material muss jedoch auch produziert werden,, was der Pflanze nicht geringe energetische Kosten verursacht. Doch anscheinend wiegt der Nutzen der Konstruktionen diesee wieder auf. Das Experiment soll klären, welchen Nutzen diee Unterschiede für die Pflanze haben. Abb.3: Innenansichten: (A) Der Staudenknöterich besitzt wie der Bambus einen Hohlraum, in den Querwände eingezogen sind, (B) Die Sonnenblume ist mit einem schaumstoffartigen Materiall gefüllt. Vorgehensweise Teil 1 Die Natur beobachten Um den Arbeitsschritten des Bottom up Prozesses (siehee Kasten) zu folgen, steht an erster Stelle die Analyse mit Vorbildern aus der Natur. Hierfür wäre ein Besuch auf einer Wiese schön, um zu zeigen, dass Gräser in machen Regionenn landschaftsprägend sein können. Ess reicht jedoch auch, verschiedenee Halme in den Unterricht mitzubringen. Die Schüler betrachten diese von außen und begreifen sie haptisch, um ein Gewicht abzuschätzen. Dabei kann auch der Aufbau einer Pflanze in Wurzel, Spross, Blatt und Blüte besprochen werden. Anschließend werden diese Halme mithilfe eines Messers längs aufgeschnitten. Dabei können Sie den Schülern

3 notfalls behilflich sein. Nun werden deutliche Unterschiede sichtbar: einige Sprossachsen sind hohl und von Querwänden durchzogen (septiert), einige mit einem Mark gefüllt. Arbeitsblatt den Halm begreifen Auch die Position der Knoten kann betrachtet werden: An der Basis ist der Abstand zwischen den Knoten deutlich geringer, weil dort die größeren Kräfte wirken. Die Knoten nehmen Querkräfte auf und verhindern damit das Knicken des Halmes. Die Knoten sind im Inneren des Halms als Querwände sichtbar, sonst ist der Grashalm hohl. Warum? Pflanzen setzen ihr Material möglichst effizient ein sie verschwenden es nicht sondern nutzen es nur dort, wo es benötigt wird. Grashalme, wie auch der Bambus, können so schnell in die Höhe wachsen. In einem zweiten Teil werden einzelne Abschnitte der Sprossachsen einem Test unterworfen. Hierfür schneiden die Schüler mit einer Schere Abschnitte mit einem Knoten und gleichlange Abschnitte ohne Knoten aus dem Halm heraus. Die Schüler sollen nun Vermutungen darüber anstellen, welcher Halm einfacher zu knicken ist und dies versuchen, zu begründen (=Hypothese aufstellen). Diese werden nun mit den Händen geknickt die Schüler registrieren dabei, dass ein Halm mit Knoten eine deutlich höhere Krafteinwirkung benötigt. Hier muss beachtet werden, dass die Halme nur im trockenen Zustand für den Versuch verwendet werden sollten. Im frischen Zustand sind sie direkt über den Knoten sehr verletzlich, da dort die Wachstumszone liegt. So verstehen sie in diesem Schritt die verstärkende Funktion der Knoten. Aber wie kann nun das Beobachtete abstrahiert und in ein Modell überführt werden? Hier soll im dritten Schritt nun ein kleines Experiment weiterhelfen. Teil 2 Das Prinzip verstehen Die Sprossachsen werden durch Strohhalme werden mit unterschiedlichen Materialien befüllt: Watte verdeutlicht markhaltiges Gewebe, kleine Papierkugeln symbolisieren die Knoten der Gräser. Im Experiment werden diese Halme einer Belastung ausgesetzt und mit einem hohlen Strohhalm verglichen. Nicht nur die Dichte der Knoten, auch ihre genaue Position ist entscheidend für die Stabilität. Die Herstellung der Proben, die Durchführung und die zu erwartenden Ergebnisse sind im Folgenden beschrieben. Teil 3 Die Idee anwenden Nach einem abschließenden Vergleich der verschieden befüllten Strohhalme steht nun die Anwendung des Erlernten im Mittelpunkt. Hier kann und sollte den Schülern Freiraum für eigene Ideen und Entwürfe gelassen werden. Die Grafik in Abb.4 kann hier als Diskussionsgrundlage dienen. Grashalmkonstrukte werden gern mit Fernsehtürmen verglichen, wobei dies oft etwas an den Haaren herbeigezogen ist, weil die Skalierung zueinander nicht stimmt. Ein Grashalm muss ganz anderen Anforderungen genügen als ein Hochhaus. Die Bambuskonstruktion gilt trotzdem als ein wichtiger Schritt in Richtung Verständnis von Leichtbaukonstruktionen. Das Prinzip der Septen in Rohren kann bei der Herstellung von Bauteilen sehr hilfreich sein. So stand der innere Aufbau des Bambus tatsächlich Pate bei neuartigen Airbus Kabinenstrukturen: Halterungen, die Gepäckfächer fest mit dem Flugzeugrumpf verbinden, wurden bislang aus massiven Aluminiumblöcken hergestellt nun aber imitieren sie die Bambusstruktur, so dass weniger Material verwendet werden muss und die gesamte Konstruktion nur noch die Hälfte wiegt. Auch werden neuerdings Walkingstöcke

4 vertrieben, die innen eine Bambusstruktur enthalten. Sie können damit noch leichter und gleichzeitig stabiler werden. Als Anwendungsbeispiel für das markhaltige Gewebe der Sonnenblume gelten Aluminiumschäume. Diese werden eingesetzt, um Materialien fest und gleichzeitig leicht zu gestalten. Weniger Materialeinsatz ist außerdem auch billiger. Abb.4: Bottom up Prinzip der behandelten Rohrkonstruktionen Bottom up Während von Top down Innovationen meist nur Optimierungen von bisherigen Systemen zu erhoffen sind, werden dem Bottom up Prinzip grundlegende Erneuerungen und Ideen zugeschrieben. Grundlage dafür ist eine ziellose, oder nennen wir es freie, ungerichtete Beschäftigung mit den Phänomenen in der Natur. Die Bezeichnung Bottom up wird in der Bionik entgegen der üblichen sprachlichen Verwendung genutzt. Dernach beschreibt der Bottom up Prozess einen Sachverhalt vom Konkreten ausgehend hin zum Abstrakten, vom Untergeordneten zum Übergeordneten. In der Bionik jedoch wird mit dem Begriff Grundlagenforschung assoziiert, deren vergleichsweise zufällige Entdeckungen in konkreten technischen Systemen Anwendung finden können. Es wird also nicht zielgerichtet, sondern ergebnisoffen gearbeitet. Das Interesse liegt hier darin, ein interessantes Phänomen nach Ursache und Wirkung zu beschreiben. Dieses ergebnisoffene Forschen ist in der heutigen Wissenschaftswelt nur mit Grundlagenforschung realisierbar, während top down Entwicklungen oft industriefinanziert sind und eine konkrete Verbesserung eines Produkts anstreben.

5 Abb. 5: ausgewählte Pflanzenarten, welche markhaltig (oben) oder von Querwänden durchzogen sind (unten).

6 Arbeitsblatt Den Halm begreifen 1. Welche Merkmalee hat ein Grashalm von außen betrachtet? Markiere: Blüte, Blatt, Halm, Wurzel, Knoten. 2. Wie viele Knoten entdeckst Du von außen an dem Halm? Zeichne in demm Schema ein, wo sie zu finden sind. Wurzel Blüte 3. Schneide vorsichtig einen Grashalm der Länge nach auf. Wass siehst Du imm Inneren des Halmes? Zeichne deine Beobachtung gen ein. Wurzel Blüte 4. Warum sind die Grashalme eigentlich hohl? 5. Schneide aus einem trockenen Halm einen Abschnitt mit Knoten und einen etwa gleich dicken ohne Knoten heraus. Welcherr Halm lässt sich schwere zu zerbrechen? Kreuzee Deine Vermutung an. Versuchee nun, die Halme zu knicken. Welcher Abschnitt lässt sich schwerer knicken? Kreuze an. Vermutung Beobachtung

7 Materialien: durchsichtige Cocktail Strohhalme (Plastik): 21 cm lang, Ø 0,8 cm Papierquadrate 4 x 4 cm für Papierkügelchen Messzylinder Tropfpipetten Wassereimer Plastikbecher 0,2 l Lineal Schere Schaschlik Spieß aus Holz Klebeband evtl. Feinwaage Watte, alternativ dazu Filzwolle oder ähnliches evtl. Holzzylinder Ø 0,8 cm (alternativ zu Papierkügelchen) Abb. 6: Materialien, die für das Experiment benötigt werden.

8 Vorbereitung/ Herstellung der Proben: Es empfiehlt sich, die Schüler in Gruppen zu jeweils vier Schülern gemeinsam arbeiten zu lassen. Die Beschreibung erfolgt pro Gruppe. 1. Die Strohhalme werden nummeriert, so dass sie im Folgenden voneinander unterschieden werden können. 2. Ein Strohhalm pro Gruppe bleibt leer. 3. Aus den vorbereiteten Papierquadraten werden kleine Kügelchen gedreht so fest wie möglich. 4. Mithilfe des Schaschlik Spießes werden die Papierkügelchen in einen Strohhalm gedrückt. Je nach Versuchsanordnung unterscheiden sich Anzahl und Position der Kügelchen voneinander. Alternativ dazu können auch Holz Zylinder in den Strohhalm geschoben werden (Nachteil: sie verrutschen leichter). 5. In einen Strohhalm werden mithilfe des Schaschlik Spießes Stück S für Stück kleine Watteteile (oder Filzwolle) hineingedrückt. Hier H besteht die Möglichkeit, unterschiedlich dicht gepackte Strohhalme herzustellen. 6. Mithilfe der Feinwaage wird das genaue Gewicht aller Strohhalme bestimmt. Abb. 7: Schema für die Probenherstellung: Der Abschnitt links der blauen Linie ist fest auf der Tischkante fixiert, der d rechte Bereich hängt frei in der Luft.

9 Messung: Die Strohhalme werden nun mit Klebeband auf dem Tisch befestigt. Dabei sollte etwa ein Drittel auf dem Tisch liegen, zwei Drittel über den Tisch hängen. Das Gewicht wird durch einen Trinkbecher simuliert, welcher mit Klebeband überklebt wird. Dieses dient als Schlaufe, um ihn am Ende des freihängendenn Strohhalmss zu befestigen. Unter dem Becher wird ein leerer Eimer aufgestellt, um beimm Abknicken das Wasser des Bechers aufzufangen. Nun wird der erste Strohhalm getestet: Mithilfe der Pipette werden w jeweils 2 ml Wasser in den Becher gegeben. WICHTIG: Die Schüler sollten hier genau arbeiten und benötigen deshalb einee erste Einweisung in dass Pipettieren. Die Ergebnisse der Gruppen können an der Tafel zusammengetragen werden. Abb. 8: oben: Schema zum Versuchsaufbau. Unten: Diee Strohhalme werden mit Klebestreifen auf dem Tisch fixiert.

10 Ergebnisse: Die Ergebnisse können mithilfe des entstandenen Tafelbilds diskutiert werden. Auch wenn diese etwas schwanken können, so können doch einige Schlussfolgerungenn gezogen werden: Die hohlen Halme halten nur eine geringe Belastung. Die Position der Knoten ist entscheidend für die Stabilität. Die Anzahl der Knoten kann eine Auswirkung haben, jedoch auch abhängig von ihrer Position. Die Watte Halme tragen eine hohe Belastung. Dafür ist ihr inneres Gewicht höher als das der Papierkügelchen.

11 Benötigte Materialien Teil 1 Natur beobachten Verschiedene Halme: Bambus aus dem Baumarkt, ausgewachsene Gräser von einer Wiese (frisch und getrocknet), japanischer Staudenknöterich, Schilf, Sonnenblume, Goldrute o.ä. Messer oder Rasierklinge zum Aufschneiden der Halme in Längsrichtung Lineal Teil 2 Prinzip verstehen durchsichtige Cocktail Strohhalme (Plastik): 21 cm lang, Ø 0,8 cm Papierquadrate 4 x 4 cm für Papierkügelchen Messzylinder Tropfpipetten Wassereimer Plastikbecher 0,2 l Lineal Schere Schaschlik Spieß aus Holz Klebeband evtl. Feinwaage Watte, alternativ dazu Filzwolle oder ähnliches evtl. Holzzylinder Ø 0,8 cm (alternativ zu Papierkügelchen) Teil 3 Idee anwenden Bilder aus Literatur/Internet Zeitrahmen Teil 1 Natur beobachten Teil 2 Prinzip verstehen Teil 3 Idee anwenden Minuten Minuten 5 10 Minuten Bezug zu weiteren Unterrichtsfächern Thema Grashalm Thema Vielfalt an Erscheinungsformen Thema Experiment Thema Berechnungen Aufbau einer Pflanze (Blüte, Spross, Blatt, Wurzel) Anpassungsstrategien und biologische Vielfalt Durch Experimentieren gezielt untersuchen Grundlagen von Maßeinheiten und Berechnungen Biologie Biologie Naturwissenschaften Mathematik und Physik

12 Quellen: mobil/bionik wie die luftfahrt von der natur lernen kann [zuletzt besucht am ] 32 [zuletzt besucht am ] Bildnachweise: Abb. 1 A Abb. 2 A Neinhuis, C.: TU Dresden Bauer, E. M.: Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Abb 4, verändert nach: T. Speck & O. Speck (2008): Process sequences in biomimetic research. In: Brebbia, C.A. (ed.), Design and Nature IV, WIT Press, Southampton. Abstraktion und techn. Umsetzung Bambus: Dipl. Ing. Daniel Busse, ibmb, TU Braunschweig Techn. Umsetzung Sonnenblume: Dr. Ing. Jörg Weise, IFAM Bremen, Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik angewandte Materialforschung Danksagung: Für die Erarbeitung der vorliegenden Experimentieranleitung möchte ich für wertvolle Zuarbeit und Durchsicht folgenden Personen danken: Prof. Christoph Neinhuis, Anne Göhre, Andreas Kempe und Andreas Grajek.

13 Quellen: [zuletzt besucht am ] mobil/bionik wie die luftfahrt von der natur lernen kann «Zukünftige Flugzeuge werden auch diesem Vorbild folgen», prophezeit Ingo Wuggetzer. Im Kleinen profitiert man bei Airbus heute schon von den Bauweisen der Natur: Im Werk Hamburg Finkenwerder wurden Halterungen, um etwa Gepäckfächer oder andere Kabinenstrukturen fest mit dem Flugzeugrumpf zu verbinden, bisher aus massiven Aluminiumblöcken herausgefräst, Gewicht pro Stück 1,2 Kilogramm. Neuerdings werden sogenannte bionische Halterungen mit einem 3 D Drucker erstellt und ahmen die Struktur von Bambus nach. Diese materialsparend hergestellten Halterungen wiegen nur noch die Hälfte. Bildnachweise: Abb. 2 verändert nach: T. Speck & O. Speck (2008): Process sequences in biomimetic research. In: Brebbia, C.A. (ed.), Design and Nature IV, WIT Press, Southampton. Abstraktion und techn. Umsetzung Bambus: Dipl. Ing. Daniel Busse, ibmb, TU Braunschweig Techn. Umsetzung Sonnenblume: Dr. Ing. Jörg Weise, IFAM Bremen, Fraunhofer Institut fuer Fertigungstechnik angewandte Materialforschung