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BIONIK
Knabe Verlag Weimar
Riesenseerose und Kristallpalast
Bernd Hill
1. Auflage Oktober 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 978-3-944575-07-0
BERND HILL
wurde 1947 geboren. Er studierte an der PH/Uni-
versität 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
Illustrationen Prof. em. Dr. Bernd Hill
Seite 12: Brockhaus Konversations-Lexikon, 1898, Tafel „Ausstellungsgebäude“;
Seite 29: Fotos: Haenke-Museum Chribská/Tschechien; Seite 48: © Jorge Zuzarte;
Seite 65: unbekannt, publiziert in der Illustrated London News vom 17. November 1849;
Seite 67: © Stiftung Friedenstein Gotha; Seite 69: © Brockhaus Konversations-Lexikon, 1898,
Tafel „Ausstellungsgebäude“, Seite 75: Farblithografie von Louis Haghe; Victoria & Albert
Museum.
Alle hier nicht mit anderer Quelle benannten Fotos stammen vom Autor.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ............................................................. 5
1
Einleitung ...................................................... 7
2
Die Riesenseerose – Vorbild für den Kristallpalast? ................. 11
3
Auf der Suche nach dem grünen Gold............................. 19
4
Die Entdeckung der Riesenseerose................................ 25
5
Das botanische Wunder Riesenseerose (Victoria) ................... 43
6
Die Tragfähigkeit der Riesenblätter ............................... 49
7
Die Erfindung des Glashauses ................................... 60
8
Die erste Weltausstellung 1851 in London ......................... 66
Arbeitsblatt 1: Richtig oder falsch? ..................................... 77
Arbeitsblatt 2: Quiz „Wie-Wer-Was?“ .................................. 79
Arbeitsblatt 3: Auf dem Wasser laufen ohne einzusinken? ................. 80
Literatur............................................................ 82
Register ............................................................ 85
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):
5
D
er
vierte Band „Riesenseerose und Kristallpalast“ setzt die Buchreihe
unter dem Motto „Frag' die Natur“ fort. Diese Reihe wendet sich an eine breite
Leserschaft. Sie ist sowohl auf aktiven Wissenserwerb, als auch auf das eigen-
ständige Forschen, Entdecken, Experimentieren und Erfinden ausgerichtet.
Comics und Infoboxen lockern dabei die Wissensaneignung auf. Der Leser
erfährt durch eigenes Handeln an interessanten Sachverhalten die Funkti-
onalität, 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 -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.
Lernen von der Natur
VORWORT
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 sowie Selbst-
bau- 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
7
D
a
s sich in der Natur eine Fülle von Anregungen für technische Kons-
truktions- und Verfahrensweisen finden lassen, erkannte in der ersten Hälfte
des 19. Jahrhunderts der geniale Erbauer des Londoner Kristallpalastes Joseph
Paxton (1803–1865). Als Gärtner und Erfinder verstand er es schon früh, un-
terschiedliche Fachgebiete zur Gewinnung neuer Erkenntnisse miteinander zu
verbinden. Er nutzte zielgerichtet gewonnene Erkenntnisse aus der Natur und
übertrug diese auf technische Konstruktionen, wie Gewächshäuser und den ge-
nannten Kristallpalast. Paxton ging es dabei nicht um eine direkte Übertragung
von der Natur auf die Technik, sondern um die Gewinnung von Anregungen
zur Lösungsfindung.
Durch Untersuchung biologischer Vorbilder, Anfertigung von Modellen und
Durchführung von Experimenten findet man heraus, wie diese mit einem Mini-
mum an Material- und Energieaufwand ein Maximum an Stabilität und Zuver-
lässigkeit verwirklichen. Es geht hierbei um das Entdecken und Entschlüsseln
von Konstruktionsprinzipien aus dem Pflanzen- und Tierreich.
Bestehen bleibt aber das Problem, wie solche Prinzipien kreativ in die Größen-
verhältnisse und Materialien der Technik umzusetzen sind. Das ist ein grundle-
gendes Problem der Bionik, also des Lernens von der Natur, mit dem sich Paxton
auch konfrontiert sah.
Natur als Ideenquelle
EINLEITUNG
1
8
Bei Paxton bestimmte das biologische Vorbild den Ausgangspunkt bei der
Lösungsfindung, von dem aus eine Weiterentwicklung unter speziellen technisch-
technologischen und ökonomischen Bedingungen erfolgen musste. Die architek-
tonische Lösung, die Dach- und Kuppelkonstruktion des Kristallpalastes, stellte
dabei das Ergebnis eines Erfindungsprozesses dar, an dessen Anfang als Natur-
vorbild das Blatt der Riesenseerose stand. Baupläne der Natur, also solche von
Pflanzen und Tieren, dienen dem Erfinder als erstes, unfertiges Lösungsmuster,
Als Prinzip wird allgemein eine vereinfachte Darstellung mit symbolischen
Elementen bezeichnet. Beispiel: Wirkprinzip des Fliegens und Schwimmens
Bionik ist eine Wissenschaft, die das Lernen von der Natur zum Ziel hat. Sie
besteht daher aus den Begriffen Biologie und Technik. Bionik befasst sich mit
der Übertragung von Entdeckungen aus dem Pflanzen- und Tierreich auf die
Technik. Der Mensch erfindet daraus neue Geräte, Maschinen und Anlagen
sowie Verfahren. Die funktionieren viel besser als ihre Vorgänger, brauchen meist
weniger Energie und kommen mit weniger Material aus.
i
Prinzip
i
Bionik
A
A
FA
FA
FW
FV
FR
FW
A
angeströmte Querschnittsfläche
(cm
2
oder m
2
)
F
A
Auftriebskraft (N)
F
R
resultierende Kraft (N)
F
W
Strömungswiderstand (N)
F
V
Vortriebskraft (N)
α
Flügelanstellwinkel (Vogel)/
Flossenausschlagwinkel (Fisch)
Biologie
Technik
Bionik
+
=
9
sozusagen als Denkanregung. So wies die Dach- und Kuppelkonstruktion des
Londoner Kristallpalastes nur bedingte Ähnlichkeit mit der Struktur der Blatt-
unterseite der Seerose auf.
Die Natur diente dem Menschen von jeher als Lehrmeisterin und Vorbild für
die Lösung neuer, zu bewältigender technischer Probleme. Jedoch kam er vielem,
was die Natur sozusagen für sich gelöst hatte, erst viel später auf die Spur. Die
lebende Natur hat gegenüber der technischen Entwicklung einen Vorsprung von
vielen Millionen Jahren. Auch wenn es in der Vergangenheit so war, dass in der
Technik Lösungen existierten, die es auch schon längst in der Natur gab, so ist es
immer wieder eine Notwendigkeit, die Natur nach ihren Lösungen zu befragen.
Dabei ist es eine Tatsache, dass es für jedes zu lösende technische Problem, eine
Vielzahl von passenden Lösungsprinzipien in der lebenden Natur gibt.
Wer also die Natur bewusst als Lösungs- und Ideenquelle nutzt, wird viele
interessante Denkanregungen erhalten. Das Buch zeigt auf, wie Naturlösungen
in Technik und Architektur übertragen werden. Der Inhalt orientiert sich an der
Natur als Ideen- und Lösungsquelle
Funktionsprinzip
Erhöhung der Stabilität und
Knicksteifigkeit bei minimalem
Aufwand an Biomasse durch
innere Hohlräume und äußere
Materialanhäufung.
Strukturprinzip
Anwendung:
Leichtbau
in der Technik
Flügeldecke des Rüsselkäfers
Schädelknochen eines Vogels
Wand des Grashalmes
Bienenwabe
Riesenseerosenblatt
Meerestang
Längsschnitt
10
Leitlinie „Biologische Phänomene entdecken – technische Lösungen erfinden“.
Zunächst werden neben der Entdeckungsgeschichte der Riesenseerose auch
ihre biologischen Merkmale beschrieben. Danach ist dargestellt, wie das Leicht-
bauprinzip dieser Seerose in der Architektur von Glashäusern unterschiedlicher
Größe umgesetzt wurde.
Auch hierbei werden dem Leser einfache Methoden des Forschens und Entde-
ckens zur Erkenntnisgewinnung sowie solche des Erfindens zur Erkenntnisum-
setzung vorgestellt.
Ein spannendes Abenteuer des Entdeckens und Erfindens steht bevor – los geht's.
Entdecken und Erfinden sind kreative Handlungen beim Lösen von Problemen in
Naturwissenschaft und Technik.
Entdecken bedeutet etwas wahrzunehmen, was in der Umwelt existiert, also
die Aufdeckung bestehender, bisher aber unbekannter Gesetzmäßigkeiten oder
Sachverhalte in Natur, Gesellschaft und Technik.
Erfinden dagegen ist das Erzeugen neuartiger technischer Lösungen, die auf
industrieller Anwendbarkeit und auf technischen Fortschritt sowie auf einer
erfinderischen Leistung beruhen.
i
Entdecken und Erfinden
Öffnen einer Blüte (Entdeckung):
Kronblätter vieler Blüten können
durch Verändern der Temperatur-
bzw. der Lichtintensität Öffnungs-
oder Schließbewegungen ausführen.
Stadionüberdachung (Erfindung):
Öffnen oder Schließen des
Daches durch einen hydraulischen
Mechanismus.