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 Genetische Vielfalt schützt vor Krankheiten
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

nachricht Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt
22.05.2018 | Technische Universität München

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: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics