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Gegenstand der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein durch Muskelkraft betriebenes Tauchgerät, welches durch die kombinierte Nutzung von angeströmten Tragflächenprofilen und s-förmiger Wellenbewegung entlang seiner Längsachse eine fischartige Fortbewegung im Wasser mit hoher Geschwindigkeit und mit besonderer Manövrierfähigkeit ermöglicht.
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Bei der Erfindung steht nicht der Gedanke eines Sport- und Freizeitgerätes im Vordergrund. Leitgedanke ist die Erhöhung der Geschwindigkeit und des Aktionsradius motorloser Unterwasserantriebe, sowie eine wesentliche Verbesserung von deren Handling und Wendigkeit. Die Konstruktion soll weiterhin Potential zum Transport von Ausrüstung, Messgeräten, Kameras und ähnlichen Gegenständen aufweisen. Als Zielgruppe stehen Forschungstaucher, Marinetaucher und Bergungstaucher im Vordergrund.
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Stand der Technik
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Bekannt sind motorlose Schwimm- und Tauchgeräte, bei welchen der Vortrieb durch Schrauben bzw. Propeller erzeugt wird. Bekannt sind weiterhin Antriebe mit Lamellenkonstruktionen, welche durch klappbare Flächen in einer Linearbewegung Schub erzeugen sollen. Diese Antriebsprinzipien werden von der vorliegenden Erfindung nicht genutzt.
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Schwimm- und Tauchgeräte, welche sich zur Erzeugung von Vortrieb an den Bewegungen und der Beschaffenheit von Fischen/Meeressäugern und deren Flossen orientieren, werden u. a. in folgenden Schriften erläutert:
DE 9405194 U1 ,
DE 4410674 A1 ,
DE 2338524 A ,
EP 0867360 B1 ,
JP 9276444 A ,
US652414561 ,
US656186261 ,
WO2005005245A2 und
WO2003035186A1 . Gemeinsam ist diesen Lösungen, dass über Fuß- oder Beinhalterungen, Hebel, Seilzüge oder ähnliches Heck- bzw. Schwanzflossen in Bewegung versetzt werden, und zwar dergestalt, dass die Auslenkung der jeweiligen Flosse im Wesentlichen als Drehbewegung um die Flossenwurzel erfolgt. Dies entspricht der tatsächlichen Bewegung von Fischflossen nur eingeschränkt und impliziert einen geringeren Wirkungsgrad.
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In
FR 2616076 A1 wird eine Konstruktion beschrieben, in welcher die Flosse über einen Hebel einen größeren Ausschlag erfährt, und es wird eine Flossenkonstruktion als naturähnliche Adaption der Schwanzflossen langsam schwimmender Fische (Friedfische) dargestellt.
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In
US 6375530 B1 wird u. a. eine Konstruktion beschrieben, in welcher über einen vorgespannten, flexiblen Längsholm mit Widerlagern für Schenkel und Füße eine Bewegung ähnlich der von Walen und Delphinen erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik im Wesentlichen dadurch, dass sich mit ihr die Bewegung und Manövrierfähigkeit schnell schwimmender Fische (Raubfische) deutlich naturähnlicher und mit höherem Wirkungsgrad nachahmen lässt.
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Begriffserläuterungen
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In der Funktionsbeschreibung der Erfindung werden Begriffe verwendet, welche verschiedene Interpretationen erlauben. Diese Begriffe werden nachfolgend definiert.
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„s-förmige Wellenbewegung” meint die fließende, sich wiederholende Auslenkbewegung oder Körperwelle entlang der Längsachse eines Fisches. Charakteristisch für diese Bewegung ist das Durchlaufen der Welle vom Kopf zum Schwanz. Vortrieb wird bei dieser Bewegungsart dadurch erzeugt, dass sich das Tier mit seinen Seitenflächen am Wasser abstößt. Die Körperwelle läuft dabei schneller nach hinten, als sich der Fisch vorwärts bewegt. Die Geschwindigkeitsdifferenz wird umso kleiner, je effizienter das Tier schwimmt.
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„Auftriebsprofil” meint Auftrieb nicht im Sinne des Äquivalents der verdrängten Wassermenge, sondern im Sinne eines angeströmten Tragflächenprofils, mit welchem durch die Ausnutzung von Druckunterschieden Steigbewegungen, Sinkbewegungen und Vortrieb erzeugt werden können. Der Begriff wird in den nachfolgenden Beschreibungen sinngleich verwendet mit dem Begriff „Tragflächenprofil”.
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„Anstellwinkel” meint den Winkel zwischen der Profilachse eines Tragflächenprofils und dem Richtungsvektor der anliegenden Strömung. Kleine Anstellwinkel bewirken einen geringen Strömungswiderstand und erzeugen nur geringe Druckunterschiede am Profil. Große Anstellwinkel vergrößern den Strömungswiderstand und bewirken große Druckunterschiede am Profil. Die Druckunterschiede lassen sich z. B. in Auftrieb oder Vortrieb umsetzen lassen. Ein weiteres Vergrößern des Anstellwinkels führt zur Bildung von Wirbeln zunächst im hinteren, dann auch im vorderen Bereich der umströmten Unterdruckseite des Profils, bis hin zum Strömungsabriss.
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„Schränkung” meint eine konstruktiv vorhandene oder hervorgerufene, zumeist fließende Änderung des Anstellwinkels an einem Tragflächenprofil über dessen Gesamtlänge. Sie wird äußerlich als eine „Verdrehung des Tragflächenprofils in sich” (entlang dessen Längsachse) wahrgenommen. Mit einer Profilschränkung kann der Geschwindigkeitsbereich zwischen Minimalgeschwindigkeit (Aufbau wirksamer Druckunterschiede am Profil) und Maximalgeschwindigkeit (Strömungsabriss) vergrößert werden. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Profils und damit die Stabilität und die Manövrierfähigkeit des Tauchgerätes.
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„Erzwungene Anlenkung” meint eine mechanisch über Zugseile, Hebel o. ä. erzwungene Stellung eines Tragflächenprofils, abweichend vom Richtungsvektor der anliegenden Strömung. Beispiel: Höhen-, Seiten- und Querruder von Flugzeugen werden in diesem Sinne durch „erzwungene Anlenkung” bewegt.
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„Finne” meint ein spitz auslaufendes Tragflächenprofil, welches zur Erzeugung von Vortrieb und/oder zur Verbesserung der Richtungsstabilität genutzt wird. Finnen selbst können einzeln am Tauchgerät befestigt sein, sind dann jedoch nicht beweglich gelagert. Beweglich gelagerte Finnen einschließlich der Befestigungsmechanismen werden nachfolgend beschrieben als „Flossen”.
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„Rollen” meint eine Drehbewegung des Tauchgerätes um seine Längsachse. „Nicken” meint eine Drehbewegung des Tauchgerätes um seine Querachse. „Aufstellen” meint eine Tendenz des Tauchgerätes zum Aufbäumen an seinem Bug.
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Zielstellung
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Erfindungsgemäßes Ziel ist die Entwicklung eines motorlosen Tauchgerätes, mit dem sich hohe Geschwindigkeiten erzielen lassen, und welches bei hoher wie niedriger Geschwindigkeit eine hervorragende Manövrierfähigkeit aufweist. Unter letzterem wird insbesondere die Fähigkeit verstanden, stabil auf der Stelle zu verharren, auf der Stelle oder in engen Radien zu wenden, und aus hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitiger Richtungsänderung kontrolliert und wirkungsvoll zu verzögern (gebremste Ausweichmanöver).
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Natürliches Vorbild
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Als natürliche Vorbilder der Erfindung dienen schnell schwimmende Großfische, insbesondere Haie und Schwertfische. Diese Fischarten schwimmen und manövrieren, indem sie zwei Grundprinzipien zur Auftriebs- und Vortriebserzeugung kombinieren. Grundprinzip 1 ist das Prinzip der vom Kopf zum Schwanz durchlaufenden Welle, welche auch als „s-förmige Wellenbewegung” bezeichnet wird. Grundprinzip 2 ist das Prinzip der Erzeugung von Druckdifferenzen an den Flossen, welche in Form und Wirkungsweise mit technischen Auftriebsprofilen vergleichbar sind. Die Kombination beider Prinzipien erfolgt in einer Wechselwirkung der Wellenbewegung, welche als Schwanzausschlag ausläuft und eine Wasserverdrängung verursacht, mit einer von Schwanzausschlag und Anströmung abhängigen, veränderlichen Ausrichtung der Schwanzflosse.
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Der Bewegungsablauf zur Aufnahme von Geschwindigkeit lässt sich einteilen in Ruhephase, Startphase und Reisephase.
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In der Ruhephase befindet sich das Tier zunächst im hydrostatischen Gleichgewicht, ohne dass am Körper bzw. an den Flossen eine, Vortrieb erzeugende, Strömung anliegt.
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In der Startphase erzeugt das Tier eine Anströmung an den Brust- und Schwanzflossen, indem es gleichzeitig Kopf und Schwanz zu einer Seite hin auslenkt und dann kraftvoll und schnell zur anderen Seite bewegt. Der Ausgangs- und Drehpunkt für diese Bewegung liegt im Rumpfbereich, in der Hochachse der Brustflossen oder in deren Nähe. Das bei allen Fischen ausgewogene Verhältnis der Seitenflächen von Kopf, Rumpf, Schwanz und Flossen bewirkt dabei eine Aufhebung der Drehmomente und verhindert eine Gierbewegung des Tieres (Drehung um die Hochachse). Während der Schlagbewegung wird zum einen Wasser verdrängt, und zum anderen die Stellung der Schwanzflosse so verändert, dass sich gegenüber dem Richtungsvektor der anliegenden Strömung ein positiver Anstellwinkel ergibt. Der dadurch an der Flosse entstehende Druckunterschied erzeugt einen resultierenden Auftriebsvektor, dessen horizontale Komponente in Vortrieb umgesetzt wird.
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Durch Kombination von Vortrieb durch Anströmung und Verdrängung von Wasser erreicht das Tier bereits nach ein bis zwei Schlagzyklen ausreichend Geschwindigkeit, um mit den Brustflossen steuern und in die Reisephase übergehen zu können.
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Die Reisephase ist gekennzeichnet durch kleinere Ausschläge von Kopf und Schwanz, sowie durch eine geringe Veränderung des Bewegungsmusters. Die in der Startphase synchron erzeugten Ausschläge erfahren im Reisezustand eine Phasenverschiebung in der Form, dass die Kopfbewegung der Schwanzbewegung in die jeweilige Richtung etwas vorauseilt. Dadurch stellt sich die optimale s-förmige Wellenbewegung ein, welche das Tier in Kombination mit den Schwanzflossenschlägen (Vortrieb durch Tragflächenwirkung und Wasserverdrängung) in gleichmäßigen, sich wiederholenden Zyklen in ein Bewegungsgleichgewicht bringt.
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Für Steuerbewegungen bei hoher Geschwindigkeit verwenden schnelle Großfische maßgeblich die Brustflossen, bei Manövern mit geringer Geschwindigkeit und auf engem Raum zusätzlich den Schwanz. Für Drehungen um die Hochachse auf der Stelle oder auf engem Raum wird der Schwanz um bis zu 90° und mehr ausgelenkt. Die Schwanzflosse und die Brustflossen unterstützen und stabilisieren diese Bewegung mit zumeist kleinen, fächelnden Ausschlägen und schnellen Wechseln der Anstellwinkel. Gleichartige Bewegungen nutzen die Fische auch, um stabil auf der Stelle zu verharren und Wasserbewegungen durch Wellen oder Strömung auszugleichen.
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Zum Bremsen und Ausweichen können schnell schwimmende Fische aus der Klasse der Knorpelfische maßgeblich nur die Schwanzflosse und die in Schwanznähe befindlichen Rückenflossen einsetzen. Andere Fischarten nutzen effizienter dafür ihre Brustflossen, welche sie aufspreizen können. Dies ermöglicht eine wirkungsvolle Verzögerung durch die Bildung von Wirbeln hinter den Flossenflächen.
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Technische Lösung
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Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Tauchgerätes ist so beschaffen, dass die vorstehend beschriebenen Bewegungen schnell schwimmender Fische von einem Menschen bzw. Taucher mit Muskelkraft und koordinierten Körperbewegungen vorbildnah nachempfunden werden können.
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Grundlegende Bestandteile
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Die Konstruktion des Tauchgerätes besteht aus einem Bugteil {10}, einem Mittelteil {30}, einer elastischen Verbindung von Bug- und Mittelteil {20}, und einem Heckteil {40}, siehe I.
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Das Bugteil dient zur Steuerung, zur Krafteinleitung aus Rumpf und Armen, sowie als Widerlager und Halt für die Hände des Tauchers. Es besteht aus einem starren Bugelement, an dem beidseitig Steuerflossen mit Bremsflächen und Griffe für die Hände des Tauchers befestigt sind.
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Das starre Bugelement ist elastisch biegbar und verwindbar mit dem starren Mittelteil verbunden. Der Hauptdrehpunkt für Biegung und Verwindung ist in Höhe des Rumpfes des Tauchers angeordnet.
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Das Mittelteil dient der Fixierung des Tauchers am Tauchgerät, der Aufnahme von Druckkräften aus Hüfte und Beinen des Tauchers, sowie deren Weiterleitung zum Heckteil. Im hinteren Bereich des Mittelteils ist dafür eine Vorrichtung zur Aufnahme und Weiterleitung wechselseitiger Tretbewegungen integriert. Diese nachfolgend als „Treteinheit” bezeichnete Vorrichtung enthält eine drehbare Traverse mit Halterungen für die Füße, sowie eine Konstruktion zur Umformung der Tretbewegungen. Am Mittelteil können zusätzliche Finnen zur Stabilisierung des Tauchgerätes angebracht sein.
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Das Heckteil schließt an das Mittelteil an und besteht aus einem beweglichen Schwanz und einer Schwanzflosse. Schwanz und Schwanzflosse sind mit der Treteinheit beweglich verbunden und werden durch diese ausgelenkt. Das Heckteil kann zusätzliche Finnen zur Stabilisierung des Tauchgerätes enthalten.
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Bedienungskonzept
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Die Bedienung des Tauchgerätes erfolgt in Bauchlage, siehe II, mit dem Kopf in Richtung Bug und den Beinen in Richtung Heck, durch Strecken bzw. Drücken mit Armen, Rumpf und Beinen, sowie durch Ausrichtung der Steuerflossen am Bugteil mit den Händen.
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Als Widerlager und Halt für die Hände dienen die Griffe am Bugteil, von welchen aus auch die Bedienelemente der Steuerflossen erreichbar sind.
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Als Widerlager für die Füße dienen die Fußhalterungen, welche drehbar an der Traverse am Mittelteil befestigt sind.
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Die gegensinnig gerichteten Druckkräfte aus Armen und Beinen bewirken einerseits eine seitliche Auslenkung des Bugteils, und andererseits eine seitliche Auslenkung des Schwanzes, siehe III. Mit der Bedienung der Steuerflossen und Bremsflächen können Steig- und Sinkbewegungen, Rollbewegungen um die Längsachse und ein- oder beidseitige Verzögerungen erzeugt werden.
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Bugteil {10}
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Die seitliche Auslenkung des Bugteils ermöglicht zum einen die Einleitung der s-förmigen Wellenbewegung, und sorgt andererseits, bei einem Start aus dem Ruhezustand heraus, für eine erste Anströmung der jeweils nach vorn eilenden Steuerflosse (Verbesserung der Stabilität und Steuerbarkeit).
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Die Steuerflossen {13} sind als Tragflächenprofile geformt und können, zur Stabilisierung des Tauchgerätes, mit einer Schränkung versehen sein. Sie sind drehbar und nach vorn klappbar am starren Bugelement {11} befestigt und werden über Hebel bzw. Griffe {13b} bedient, indem ihr Anstellwinkel verändert wird.
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Fest mit den Steuerflossen verbunden sind die Bremsflächen {13a}. Es handelt sich dabei um starre Flächen, welche im ungebremsten Zustand am Bugelement anliegen, und welche zum Bremsen mitsamt den Steuerflossen nach vorn gegen die Strömung geklappt werden. Die Bremswirkung beruht auf der Bildung von Wirbeln hinter den Flächen {13a}, siehe IV. Die Flächen sind so geformt, dass sich die Bremswirkung nicht störend auf die Steuerung des Tauchgerätes auswirkt, insbesondere also keine Roll-, Nick- oder Aufstelltendenzen verursacht.
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Die Steuerflossen mit den Bremsflächen werden jeweils gemeinsam über einen Hebel oder Griff bedient, sodass die Veränderung des Anstellwinkels jeder Flosse und die Einleitung der Bremswirkung kombiniert erfolgen können. Diese Konstruktion ermöglicht einerseits dosierte Verzögerungen bei gleichzeitigen Richtungsänderungen, und andererseits dynamische Manöver mit engen Kurvenradien.
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Elastische Verbindung von Bugteil und Mittelteil {20}
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Die elastisch biegbare und verwindbare Verbindung zwischen Bugteil und Mittelteil ist erforderlich, um die s-förmige Wellenbewegung erzeugen zu können. Sie ist im Rumpfbereich des Tauchers angeordnet, weil sich an diesem der zentrale Ausgangs- und Drehpunkt aller Antriebsbewegungen des Tauchers (wechselseitige Streckbewegungen der Arme und Beine) befindet.
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Das elastische Verbindungsteil hat weiterhin die Funktion, vom Bugteil kommende, ggf. starke Steuerreaktionen um Quer- und Längsachse zu dämpfen und verzögert an Mittel- und Heckteil weiterzuleiten. Dies verbessert die Manövrierbarkeit und ermöglicht die Erzeugung fließender Bewegungen.
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Die Flexibilität um Längs- und Querachse durch die elastische Verbindung führt letztlich auf Kurvenbahnen zu einer verbesserten Anströmung und Wirkung aller Flossen und Finnen am Tauchgerät.
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Eine starre Verbindung hätte zur Folge, dass bei einer Änderung des Anstellwinkels der Steuerflossen (Bugteil) gleichzeitig eine Änderung der Anstellwinkel aller dahinter liegenden Flossen bzw. Finnen (z. B. Stabilisierungsfinnen) erzwungen werden würde. Diese müssten damit ihre bisherige Strömungsebene verlassen, mit der Folge einer Verschlechterung der Strömungsverhältnisse am gesamten Tauchgerät. Durch eine flexible Verbindung zwischen Bugteil und Mittelteil wird dieser Effekt vermindert. Die Flossen und Finnen können dann eher einer Kreisbahn und damit ihrer ursprünglichen Strömungsebene folgen.
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Mittelteil {30}
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Das Mittelteil verfügt zur Fixierung des Tauchers über eine sitzartige Mulde {32} für dessen Gesäß, sowie über eine Auflagefläche {33} für den Bauch- und Beckenbereich. Weiterhin können Schlaufen oder Verschlüsse zur Sicherung und Fixierung vorhanden sein, welche mit Hüfte, Rumpf oder Schultern verbunden werden.
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Bestandteil des Mittelteils ist weiterhin die sogenannte Treteinheit {31}, welche wechselseitige Tretbewegungen des Tauchers aufnimmt und so umformt, dass sie in seitliche Ausschläge des Schwanzes (Heckteil) umgesetzt werden können.
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Die Aufnahme der Tretbewegungen erfolgt über eine drehbare Traverse {31a} mit Fußhalterungen {31b}. Die Traverse kann so beschaffen sein, dass sie gleichzeitig die Funktion einer horizontalen Stabilisierungsflosse erfüllt.
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Die technische Realisierung der Umformung und Weiterleitung der Tretbewegungen kann mit einem Getriebe bzw. einer Übersetzung erfolgen, z. B. mit Zugseilen, Zahnriemen Zahnrädern und/oder Hebeln.
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Die Treteinheit ist so beschaffen, dass mit einem relativen Fußhub von ca. 20 cm bis 30 cm (Abstand der Füße zueinander) der maximale Schwanzausschlag am Heckteil erzeugt werden kann. Für kleinere Schwanzausschläge im Reisebetrieb ist ein relativer Fußhub von ca. 5 cm bis ca. 15 cm erforderlich.
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Heckteil {40}
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Das Heckteil besteht aus der Schwanzkonstruktion {41} und der Schwanzflosse {42}. Zusätzlich können Stabilisierungsfinnen angebracht sein.
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Die Schwanzkonstruktion ist drehbar am Mittelteil {30} befestigt und kann über ihre gesamte Länge seitlich gekrümmt bzw. ausgelenkt werden. Sie ist so beschaffen, dass die seitliche Auslenkung einen Winkel ≥ 90° in Bezug auf die Längsachse des Tauchgerätes erreichen kann, siehe IV. Die Auslenkung erfolgt entweder mit gleich bleibendem Krümmungsradius, oder ungleichmäßig degressiv (Krümmungsradien zur Schwanzflosse hin größer werdend) oder progressiv (Krümmungsradien zur Schwanzflosse hin kleiner werdend), siehe VII.
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Die technische Realisierung kann z. B. mit drehbar gekoppelten Segmenten {41a} erfolgen, deren Stellung bzw. Ausschlag über Zugseile {41b} verändert wird. Die Zugseile sind mit der Übersetzung der Treteinheit verbunden. Das Maß des seitlichen Ausschlages bzw. des Krümmungsradius', sowie die Kraft zur Auslenkung und zur Rückstellung der Schwanzkonstruktion in den Ausgangszustand, kann durch Gummibänder {41c} oder Federelemente definiert werden. Durch die Verwendung von Gummibändern oder Federelementen mit unterschiedlichen Elastizitätsgraden können ungleichmäßige Krümmungsradien (progressiv oder degressiv) entlang des Schwanzes erzeugt werden.
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Die Schwanzflosse {42} ist drehbar am Ende der Schwanzkonstruktion {41} befestigt und besteht aus einer Flossenwurzel {42a} sowie aus Schwanzfinnen {42b}, welche an der Flossenwurzel befestigt sind.
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Die Flossenwurzel {42a} kann starr an der Schwanzkonstruktion {41} befestigt sein. Sie kann auch so befestigt sein, dass durch erzwungene Anlenkung und/oder durch anströmendes Wasser eine Drehbewegung um die (gekrümmte) Längsachse des Schwanzes erfolgt. Die Drehbewegung kann in einer zur Schwanzachse orthogonalen oder schiefen Ebene erfolgen. Dies ermöglicht seitliche, radial um die Schwanzachse gerichtete Kippbewegungen der Schwanzfinnen, siehe VI.
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Die Schwanzfinnen bestehen aus Tragflächenprofilen {42b} mit symmetrischem Querschnitt. Sie sind mindestens so lang, dass sie ausreichend aus der Verwirbelungszone hinter Taucher und Tauchgerät herausragen. Die Schwanzfinnen können damit zur Steuerung des Tauchgerätes eingesetzt werden.
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Mindestens eine der Schwanzfinnen ist in rechtem oder schrägem Winkel um ihre Längsachse drehbar an der Flossenwurzel befestigt. Die Drehung bzw. Schwenkung der jeweiligen Schwanzfinne erfolgt durch erzwungene Anlenkung und/oder durch anströmendes Wasser.
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Das Profil der Schwanzfinnen kann weiterhin so beschaffen sein, dass sich durch erzwungene Anlenkung, siehe Vb), und/oder anströmendes Wasser eine Schränkung des Profils einstellt, siehe VI. Ein Profil mit dieser Eigenschaft kann z. B. aus elastischen Materialien hergestellt werden.
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Durch die seitliche Auslenkung des Schwanzes beschreibt die Schwanzflosse um den Dreh- und Befestigungspunkt des Schwanzes am Mittelteil eine elliptische Bahn. Die drehbare Lagerung der Schwanzfinnen an der Flossenwurzel führt dabei zur Verdrehung dieser Tragflächenprofile mit der Profilnase in Richtung der Anströmung. Gegenüber dem resultierenden Strömungsvektor {42d} stellt sich damit ein positiver Anstellwinkel ein. Am jeweiligen Profil entsteht dadurch Unterdruck bzw. Sog mit einer Komponente in Richtung Bug, welche dem Tauchgerät Vortrieb verleiht. Diese Vortriebskomponente kann durch das seitliche Kippen der jeweiligen Finne in Richtung der Anströmung (bei drehbarer Flossenwurzel) und durch eine Schränkung der Schwanzfinnen in Abhängigkeit der Auslenkrichtung noch vergrößert werden.
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Am Wendepunkt des Schwanzausschlags ändern die Finnen der Schwanzflosse ihre Ausrichtung und erreichen, in Bezug auf die Längsachse des Tauchgerätes, gleichzeitig ihre größte seitliche Auslenkung. Aus dieser Bewegung heraus entsteht ein impulsartiger Flossenschlag mit großer seitlicher Wasserverdrängung, durch welchen ein wesentlicher Teil des Vortriebs erzeugt wird.
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Physiologische Anwendbarkeit
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Durch Kombination und Koordination der drei Bewegungskomponenten
- – „seitliche Auslenkung des Bugteils”
- – „seitliche Auslenkung des Schwanzes mit Änderung der Anstellwinkel an der Schwanzflosse”
- – „Änderung der Anstellwinkel der Steuerflossen” können Bewegungsmuster erzeugt werden, welche denen von schnell schwimmenden Großfischen sehr ähnlich sind.
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Es kann sowohl die Startphase als auch die Reisephase umgesetzt werden. Mit Hilfe der Steuerflossen können Roll-, Steig- und Sinkbewegungen sowie Bewegungen auf geneigten Kurvenbahnen erzeugt werden. Schwanzausschläge mit einem Winkel von ca. 90° können zum Manövrieren auf engem Raum sowie zum Verzögern und Wenden genutzt werden. Für das Verharren auf der Stelle können kleine, fächelnde Ausschläge der Schwanzfinnen und der Steuerflossen erzeugt werden.
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Ebenfalls dem Vorbild mancher Fische nachempfunden und für ein schnelles Tauchgerät unerlässlich sind die Bremsflächen der Steuerflossen. Diese ermöglichen dosierte Verzögerungen ohne Beeinträchtigung der Richtungsstabilität des Tauchgerätes. Sie ermöglichen weiterhin dynamische Manöver mit Störungen der Strömung bis zum Strömungsabriss.
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Die Länge des Tauchgerätes ist maßgeblich von der Größe des Tauchers und vom Bedarf an zusätzlicher Ausrüstung abhängig. Sie beträgt ca. 3 m bis 4 m.
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Eine solch große Länge des Tauchgerätes macht dieses für den Transport zwar unhandlicher, ist aus dem Blickwinkel der erforderlichen Schlagfrequenz jedoch von Vorteil.
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Bei Fischen wird die für eine bestimmte Geschwindigkeit erforderliche Schlagfrequenz des Schwanzes umso kleiner, je länger ein Fisch ist. Bei einer Länge von ca. 3 m bis 4 m ist eine zügige Fortbewegung bereits mit Bewegungszyklen im Bereich von ca. 1,0 Hz bis 0,5 Hz möglich. Dieser Frequenzbereich entspricht etwa den Tretzyklen beim Fahrradfahren. Ein Taucher mit guter körperlicher Konstitution kann diese Frequenz längere Zeit aufrechterhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bugteil
- 11
- starres Bugelement
- 12
- Griffe für die Hände des Tauchers
- 13
- Steuerflossen
- 13a
- Bremsflächen
- 13b
- Hebel zur Veränderung des Anstellwinkels der jeweiligen Steuerflosse und zur Bedienung der Bremsfläche
- 13c
- dreh- und klappbare Fixierung
- 20
- elastisch biegbare und verwindbare Verbindung zwischen Bugteil und Mittelteil
- 30
- Mittelteil
- 31
- „Treteinheit”, Vorrichtung zur Aufnahme und Weiterleitung wechselseitiger Tretbewegungen
- 31a
- drehbare Traverse
- 31b
- Halterungen für die Füße
- 31c
- Konstruktion zur Umformung und Weiterleitung der Tretbewegungen
- 32
- sitzartige Mulde
- 33
- Auflagefläche für Bauch und Beckenbereich
- 34
- vertikale Stabilisierungsfinnen
- 40
- Heckteil
- 41
- beweglicher Schwanz bzw. Schwanzkonstruktion
- 41a
- drehbar gekoppelte Segmente
- 41b
- Zugseile
- 41c
- Gummibänder
- 42
- bewegliche Schwanzflosse
- 42a
- Flossenwurzel
- 42b
- Schwanzfinnen
- 42c
- drehbar gelagerte Flossenwurzel mit erzwungener Anlenkung
- 42d
- Richtungsvektor der Anströmung bei seitlicher Auslenkung des Schwanzes
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I Schrägdarstellung: Tauchgerät in der Ausführungsvariante mit Schwanzkonstruktion aus drehbaren Segmenten und Auslenkmechanismus mit Zugseilen und Gummibändern, Schwanzflosse mit zwei beweglich gelagerten Finnen ohne erzwungene Anlenkung
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II Seitenansicht: Tauchgerät in der Ausführungsvariante nach I, mit darauf liegendem Taucher
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III Draufsicht: Tauchgerät in der Ausführungsvariante nach I, mit darauf liegendem Taucher in gleichseitiger Streckbewegung (rechte Körperseite), Tauchgerät mit gleichsinnig ausgelenktem Bug- und Heckteil
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IV Draufsicht: Tauchgerät in der Ausführungsvariante nach I, mit darauf liegendem Taucher bei linksseitigem Bremsmanöver (linke Steuerflosse und Bremsfläche nach vorn geklappt) mit Schwanzauslenkung von ca. 90° (Darstellung am Wendepunkt der Bewegung)
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V Detail Schwanzkonstruktion, Draufsicht: prinzipielle Lösungsvariante zur Ausrichtung der Schwanzflosse in Richtung der Anströmung mit erzwungener Anlenkung, a) Ausgangs- bzw. Ruhestellung, b) beginnende Auslenkung nach links
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VI Detail Schwanzkonstruktion, Schrägdarstellung: prinzipielle Lösungsvariante mit starrer Flossenwurzel und schräg drehbar gelagerter, durch Wasserdruck in Richtung Anströmung gedrehter und geschränkter Schwanzfinne
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VII Draufsicht, Schematische Darstellung der möglichen Schwanzkrümmungen: a) degressive Auslenkung des Schwanzes (Krümmungsradius wird in Richtung Schwanzende größer), b) gleichmäßige Auslenkung des Schwanzes (Krümmungsradius bleibt über gesamte Schwanzlänge unverändert), c) progressive Auslenkung des Schwanzes (Krümmungsradius wird in Richtung Schwanzende kleiner)
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Literaturverweise
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- – „Patente der Natur”, Ference Greguss, Verlag Neues Leben Berlin, 2. überarbeitete Auflage 1988
- – „Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler”, Werner Nachtigall, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2. überarbeitete Auflage 2002
