Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Prototyp macht sichtbar, wie Wasser Schwimmer umströmt

29.07.2014

Bewegungsforscher der Universität Jena untersuchen undulatorisches Schwimmen

Wenn ein Studentensportler über 50 m Rückenschwimmen den Weltrekord knackt, dann muss er entweder ein Supertalent sein oder „schummeln“.


Die Bewegung der angeleuchteten Kügelchen am Schwimmer wird durch die Hochgeschwindigkeitskamera exakt aufgezeichnet und daraus werden im Computer die Strömungsfelder sichtbar gemacht und berechnet.

Foto: Jürgen Scheere/FSU Jena


Das Team der Jenaer Sportwissenschaftler (v.l.) Dr. Stefan Hochstein, Phillip Sonnenberg, Anvar Jakupov und Prof. Dr. Reinhard Blickhan bei der Auswertung der Strömungsvisualisierung am Schwimmer.

Foto: Jürgen Scheere/FSU Jena

Hill Taylor wurde bei seinem spektakulären Rennen 2011 in den USA disqualifiziert, da er die Strecke vollständig unter Wasser zurückgelegt hat; denn die Regeln erlauben nur eine Tauchphase von 15 Metern.

Doch der mit deutlichem Abstand eingeschwommene „Sieg“ des „Delphin-Mannes“ belegt eindrucksvoll, dass das sog. „undulatorische Schwimmen“ einen großen Geschwindigkeitsvorteil bietet.

„Dieser von den Fischen abgeschaute Stil, bei dem der Körper wellenförmig bewegt wird, ist eine der schnellsten Fortbewegungsmöglichkeiten unter Wasser“, erläutert Dr. Stefan Hochstein vom Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Die Bewegungsforscher haben in den vergangenen sieben Jahren diese Schwimmtechnik mit Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ausführlich erforscht. Und gerade ist nach fast zweijähriger Entwicklungszeit ein erster Prototyp zur Strömungsvisualisierung am menschlichen Schwimmer fertiggestellt worden.

Damit können nun erstmals im Schwimmbecken die Strömungsfelder beim Schwimmen unter Wasser gemessen und die Strömungen sichtbar gemacht werden.

Erstmals numerische und experimentelle Berechnungen verglichen

„Im Wasser können wir während des Schwimmens keine Kräfte messen“, weist der Physiker Hochstein, der das Prototypen-Projekt leitet, auf die Schwierigkeiten hin. Und so wurden bisher die Strömungen immer nur durch numerische Simulationen berechnet. Die Jenaer Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Reinhard Blickhan ist „die erste Gruppe auf der Welt, die numerische und experimentelle Berechnungen vergleichen kann“, freut sich Hochstein.

Möglich macht das die neue Gerätekombination, die dank einer Förderung durch die Ernst-Abbe-Stiftung und in Kooperation mit dem Institut für Optik und Quantenelektronik der Universität Jena entwickelt werden konnte. Insbesondere konnte hierdurch mit Anvar Jakupov ein Physiker gefördert werden, der in Zusammenarbeit mit dem Mechaniker Thomas Drafehn einen entscheidenden Anteil am Aufbau des Prototypen hatte.

Bestanden die ersten Messgeräte noch aus einer Hochgeschwindigkeitskamera, die nur durch ein Unterwasserfenster im Schwimmbecken einen begrenzten Ausschnitt filmen konnte, und einem anfälligen sowie teuren Laser, so haben die Jenaer Bewegungsforscher nun ein mobiles und günstiges Testequipment entwickelt.

Die teure Kamera wurde in ein wasserdichtes Gehäuse eingebaut und mit einer auf LEDs basierenden Beleuchtungseinheit verbunden; beides kann problemlos ins Wasserbecken getaucht werden. „Der große Vorteil dieses Systems liegt in der Robustheit gegenüber herkömmlichen Lasersystemen und den fast universellen örtlichen Einsatzmöglichkeiten“, sagt Hochstein.

„Zudem ist es schnell zu justieren und die Kosten für das System sind um mindestens den Faktor 10 geringer als herkömmliche Laser-Systeme zur Strömungsvisualisierung.“

Bei den Tests – die überwiegend in speziellen Forschungsbecken in Heidelberg stattfanden – werden kleine Kunststoffkügelchen mit der gleichen Dichte wie Wasser ins Becken geworfen, durch die der Schwimmer sich hindurchbewegt. Die Bewegung dieser Kügelchen wird durch die Hochgeschwindigkeitskamera exakt aufgezeichnet und daraus werden im Computer die Strömungsfelder sichtbar gemacht und berechnet.

Anwendungspotenzial bei Messung der Abnutzung hinter Brückenpfeilern

Damit sind nun die Strömungsvisualisierung und -feldmessung an schwer zugänglichen Orten oder an Orten, die aus sicherheitstechnischen oder organisatorischen Gründen keine Nutzung von Lasern erlauben, möglich. Neben dem Einsatz zur Optimierung von Schwimmbewegungen in Schwimmhallen kann das Gerät „auch zur Erforschung der Wirbelcharakteristik und somit der Fortbewegung von aquatischen Meeressäugern, die aufgrund ihrer Größe nicht in einen Strömungskanal passen, genutzt werden“, ist sich Hochstein sicher.

Weitere Anwendungen sind im technischen Bereich denkbar: „Perspektivisch könnte dieses System zur Messung der Verwirbelungen – und somit auch der Beanspruchung bzw. Abnutzung – hinter Brückenpfeilern oder Windrädern genutzt werden“.

Auch wenn nun dank der Jenaer Forschungen Taucher erstmals ganz im normalen Wasser betrachtet werden können: Noch ist das Gerät nicht serienreif. Dafür sind weitere Forschungen ebenso notwendig wie die Kooperation mit Unternehmen. „Es gab schon erste Gespräche“, verrät Hochstein, aber noch sind die Wissenschaftler der Uni Jena auf der Suche nach weiteren Partnern. Und dass selbst mit der Analysetechnik nicht sofort eine Verbesserung von Schwimmzeiten möglich ist, das weiß auch der ehemalige Triathlet Hochstein:

„Vor einer Nutzung der Erkenntnisse im Training müssen erst die Analysen erfolgen, wie die Beobachtungen sinnvoll in Schwimmtechnik umgesetzt werden können“. Doch die Trainer und Schwimmer hätten mit dem Jenaer Gerät eine funktionierende Analysemöglichkeit, um ihre eigene Strömung aktiv zu gestalten und zu sehen, wie sie das Wasser fassen – und dies zu nutzen, um regelkonform schneller zu werden.

Kontakt:
Dr. Stefan Hochstein / Prof. Dr. Reinhard Blickhan
Institut für Sportwissenschaft der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Seidelstraße 20, 07749 Jena
Tel.: 03641 / 945709 oder 945701
E-Mail: Stefan.Hochstein[at]uni-jena.de / reinhard.blickhan[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Axel Burchardt | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung
26.04.2017 | Universität Ulm

nachricht Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt
26.04.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie