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Das Stoßspektrum von Spinnennetzen
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-08-19) Tietsch, Volker; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
Die vorliegende Arbeit präsentiert Grundlagen, Versuchstechniken und neue Erkenntnisse des Systems Spinnennetz. Die bereits vorhandenen Kenntnisse über dieses Vorbild aus der Natur werden erweitert und bemerkenswerte Eigenschaften identifiziert. Spinnenseide ist ein herausragendes Biopolymer, dass herkömmliche synthetische Fasern in einer Reihe von Eigenschaften übertrifft. Der Bionik und Materialforschung ist es ein Anliegen diese Fähigkeiten zu nutzen. Besonders die Fähigkeiten der Seide zur Absorption kinetischer Energien stechen hervor. Neuste Fortschritte in der rekombinaten Herstellung versprechen, diesen Werkstoff in naher Zukunft in großen Mengen synthetisch herstellen zu können. Zu Beginn wird ein Überblick über die besonderen Eigenschaften von Spinnenseide und -netz, sowie den bisherigen Forschungsstand gegeben. Außerdem werden die notwendigen mathematischen Grundlagen zur Analyse von Schwingungen erarbeitet. Dabei wird außerdem das Shock Response Spectrum (SRS) und dessen Berechnungsmethoden erläutert. Anhand verschiedener Quellen wird ein standardisiertes SRS entworfen und in Form eines Matlab-Skriptes implementiert. Für die Versuche werden Netze der Spinnenart Argiope Argentata verwendet. Zur Vermessung wird ein Versuchsaufbau entworfen und aufgebaut, um die Netze mit Projektilen in Schwingung zu versetzen. Die resultierenden Schwingungen werden mit Interferometern aufgezeichnet. Mit einer Reihe von Auswertungsskripten werden die Messungen detailliert analysiert, um Eigenschaften zu identifizieren und zu quantifizieren. Außerdem wird das SRS des Netzes berechnet. Dabei zeigt sich, dass das Netz ein dynamisches System ist, dessen Eigenschaften nur beschränkt durch bisherige, lineare Modelle beschrieben werden können. Insbesondere die Steifigkeit kann als dynamischer Parameter ausgemacht werden. Eine Reihe weiterer Parameter, wie z.B. die Energiedissipation werden quantifiziert. Im Anschluss wird ein erweitertes Modell entwickelt, dass die dynamischen Parameter berücksichtigt. Ein Vergleich mit den Messergebnissen zeigt die sehr gute Übereinstimmung des erweiterten, dynamischen Modells. Um weitere Details der Eigenschaften zu untersuchen, werden außerdem die viskoelastischen Materialeigenschaften in ein dynamisches Materialmodell aufgenommen. Ergebnis der Arbeit sind neue Kenntnisse über das System Spinnennetz, die die Erwartungen übertreffen. Zum Abschluss wird ein detaillierter Ausblick gegeben, um das Forschungsthema im breitem Umfang fortzusetzen. Die Arbeit präsentiert dazu mehrere Ansätze.