Computer und Roboter, die Informationen aus ihrer Umwelt in Echtzeit verarbeiten und darauf reagieren können, schlagen den Menschen noch nicht in Aufgaben, für deren Lösung es Intuition oder Führungserfahrung braucht, sind uns aber in beeindruckender Weise überlegen, wenn es darum geht, Systeme im Gleichgewicht zu halten.

Dieses umgekehrte Pendel wird von einer Steuerung ins Gleichgewicht gebracht, die an der Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana in Lugano entwickelt wurde.

Und diese Platte, die eine Stahlkugel mit erstaunlicher Präzision und Geschwindigkeit ausbalanciert, wurde von dem RETIS Lab an dert Scuola Superiore Sant’Anna in Pisa konstruiert. Zwei Servomotoren bewegen die Platte und ein Touchscreen erkennt die Position der Kugel.

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3D Drucker sind ideale Werkzeuge für den schnellen Bau von Prototypen oder von Modellen in Architektur oder Medizin. Die bisherigen Geräte sind aber für den privaten Gebrauch kaum zu finanzieren. Ein internationales Open Source Projekt bietet nun nicht nur die Anleitung für einen 3D Drucker, dessen Materialkosten sich lediglich auf etwa 500$ belaufen, sondern auch das Konzept eines Druckers, der in der Lage, sich selbst zu replizieren. Der Projektname ist RepRap und steht für ”Replicating Rapid-prototyper”.

Eine komplette Kopie ist es zwar nicht, etwa 60 % der Teile werden aus einem Polymilchsäure-Kabel geschmolzen und neu gedruckt, aber den Rest der Teile kann man preisgünstig im Fachhandel erwerben. Zukünftige Versionen des Projekts sollen auch in der Lage sein, ihre eigenen elektrischen Schaltungen zu replizieren.

Eine Galerie mit “reprapped” Gegenständen (die auf dem RepRap produziert wurden) zeigt, dass die Maschine nicht nur sich selbst replizieren kann. Für dieses Paar Kinderschuhe hat das Gerät allerdings einen Tag gebraucht.

RepRap Projektseite

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Ein Klassiker, der immer wieder verblüfft: Die von Leonardo da Vinci erfundene Brücke aus Stäben oder Brettern, die nicht durch Leim, Nägel oder Schrauben, sondern alleine durch die geschickte Verschränkung der Stäbe Stabilität erhält. Am Wochenende haben wir einen Leonardobrücken-Bausatz (Danke, Gunnar!) ausprobiert, erst einen kleinen Bogen und nach zwei Anläufen den vollen Bogen mit 38 Einzelbrettern.

Wie viele Erfindungen da Vincis war auch diese von militärischen Überlegungen motiviert. Im Jahre 1483 schrieb er: “Ich habe eine Anleitung zur Konstruktion sehr leichter und leicht transportabler Brücken, mit denen der Feind verfolgt und in die Flucht geschlagen werden kann.” (Quelle: Mathematikum Giessen)

Das Konstruktionsprinzip lässt sich mit verschieden grossen Brettern realisieren, eine der grösseren Konstruktionen wurde 2005 anlässlich des Jubiläums der Architektenkammer Baden-Württemberg in Freiburg im Breisgau realisiert (Quelle: Wikimedia).
 

Das Verschränkungsprinzip lässt sich nicht nur auf einen Bogen anwenden, mit Hilfe von anderen Personen oder Hilfskonstruktionen kann man einen solchen Bogen auch zu einem Ring schliessen oder gar eine Kuppelkonstruktion anfertigen. Ersteres wurde vom Zirkus-Meer-Artisten Walter Mooshammer zu einem grossen “Rhönrad” perfektioniert, mit dem er allerlei Kunststücke vorführt, ehe der Ring wieder in seine Einzelteile zerfällt. Und Jürgen Richter-Gebert, Geometrie-Professor an der Technischen Universität München, beschreibt in diesem Artikel, wie er mit Kindern Kuppelkonstruktionen anfertigt.

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Ein klassisches Experiment, das immer wieder fasziniert, wie es sich zwar nicht der Physik, aber unseren Erwartungen widersetzt. In dieser Variante wirkt es noch spektakulärer, weil der innere Teil des Zahnstochers angezündet wird und abbrennt.

Das ganze Gebilde von Besteck und Zahnstocher ist mit seinem Schwerpunkt, auch wenn es für unsere Auge nicht so scheinen mag, genau auf dem Glasrand ausbalanciert. Der abgebrannte Teil des Zahnstochers hat ein vergleichsweise kleines Gewicht und der Schwerpunkt verlagert sich nur unmerklich.

via www.posci.com  

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Was nicht sein kann, das nicht sein darf - so war lange Zeit die Reaktion der Fachwelt auf diese beeindruckenden chemischen Reaktionen, die der damaligen Vorstellung, wie eine Reaktion abzulaufen habe, widersprachen. In einer homogenen Lösung sollten die Reaktionspartner in linearer Weise miteinander zu einem neuen Produkt reagieren. In diesen Versuchen geschah aber etwas ganz anderes, die Reaktion schien hin und her zu springen zwischen Ausgangsmaterial und Endprodukt, sie oszillierte. Dabei entstehen oft nicht nur zeitliche, sondern auch räumliche Oszillationen. 

Diese Oszillationen dienen oft zur Veranschaulichung von chaotischen Systemen und von chemischen Uhren.

Bei der mathematischen Modellierung dieser Oszillationen stösst man auf Muster, die auf verblüffende Weise auch physikalische und biologische Systeme beschreiben können. Und tatsächlich scheinen biologische  Musterbildungen, Herzschlag, circadiane Rhythmen, Hormon- und Enzymkonzentrationen durch solche chemischen Oszillationen gesteuert zu sein. Einen Überblick über allerlei Muster-und Formbildungen in der Natur und ihre Ursachen gibt Philip Ball in seinem Buch “The Self Made Tapestry: Pattern Formation in Nature“.

Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Eine Mischung aus Kaliumbromat, Kaliumbromid, Malonsäure, Eisen(II)-Sulfat und Schwefelsäure beginnt in einer Petrischale oszillierende Ringe auszubilden, die sich überlagern. Die Reaktion ist sehr komplex und umfasst 18 Einzelreaktionen. Als solche ist sie zwar ein visuell faszinierendes Experiment, das Begeisterung für Chemie zu wecken vermag, wer sich aber mit der unvermeidlichen Zuschauerfrage “Wie funktioniert das denn” konfrontiert sieht, sollte sich intensiv mit der Erklärung auseinandersetzen und noch mehr Zeit für deren didaktische Präsentation aufwenden.

Mehr über die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Briggs-Rauscher-Reaktion

Sie ist eine der bekannteren Beispiele einer oszillierenden “Iodine Clock” Reaktion, bei der die Farbe mehrmals abrupt zwischen blassgelb und dunkelblau wechselt. Anders als die “einmaligen” Jod-Uhren oszilliert diese Reaktion wirklich für mehrere Minuten, benötigt aber Wasserstoffperoxid.

Mehr über die Briggs-Rauscher-Reaktion

Pulsierendes Quecksilber Herz

Diese elektrochemische Reaktion erzeugt einen pulsierenden Quecksilbertropfen, der in einem Uhrglass in einer Lösung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid oder Kaliumdichromat schwimmt. Wird ein Nagel aus Eisen oder einer Büroklammer nahe an das Quecksilber bewegt, beginnt es rhythmisch zu pulsieren. Auf der Oberfläche des Quecksilbers bildet sich eine Schicht Quecksilber(I)-suflat, das die Oberflächenspannung verringert und dazu führt, dass sich der Tropen abflacht. Schliesslich berührt er die Nadelspitze, die dabei oxidiert. Die dabei abgegebenen Elektronen reduzieren die Quecksilber(I) Ionen und zerstören die Oberflächenschicht, die Oberflächenspannung nimmt zu, der Tropen nimmt wieder eine sphärischere Gestalt an und verliert den Kontakt mit dem Eisen. Während des Versuchs wird sich der Eisennagel langsam auflösen.

Mehr über das Quecksilber Herz.

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Obwohl schon seit über 70 Jahren bekannt, haben Form-Gedächtnis-Metalle nichts von ihrer Faszination verloren. Sie können z.B. bei Zimmertemperatur verformt werden, springen aber in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn man sie erhitzt. Das berühmteste ist das Nitinol. Der Name ist ein Akronym der Anfangsbuchstaben der beiden Hauptbestandteile der Legierung und des Labors, wo sie von William Buehler und Frederick Wang entdeckt wurde: Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.

Form-Gedächtnis-Legierungen werden in der Medizin für gefässerweiternde oder -stützende Drahtgeflechte (Stents) verwendet, von Flugzeugbauern für sich dynamisch verändernde Flügelprofile getestet und in unzähligen Anwendungen für winzige lineare Antriebssysteme, Pumpen oder Ventile genutzt. Eine Feder aus einer Form-Gedächtnis-Legierung kann das 150-fache ihres eigenen Gewichtes anheben.

Das Tufts Biomimetic Devices Laboratory nahe Boston entwickelt einen aus mehreren Segmenten bestehenden Raupen-Roboter, dessen “Längsmuskulatur” aus Federn aus Metalllegierungen mit Form-Gedächtnis besteht. Diese Legierung kann sogar zwischen zwei verschiedenen Formen hin und her springen. Wird ein Strom angelegt, erwärmt sich die Feder und zieht sich zusammen, wird der Strom abgestellt, dehnt sich sich durch die Abkühlung wieder aus. Durch das gezielte Anlegen von Spannung an die verschiedenen “Längsmuskelstränge” lässt sich so die Bewegung einer Raupe nachahmen.

Mehr dazu in einem Artikel der New York Times.

Nitinoldrähte sind recht teuer, ein Meter eines 0,75 mm dicken Drahtes kostet umgerechnet gut CHF 8. 

Beispiele für Nitinol-Experimente:

“Grand Illusions” bietet einen Nitinol-Draht an, der sinnigerweise das englische Wort “HOT” formt und somit den Zustand des Wassers, das ihn in seine ursprüngliche Form zurückspringen lässt, passend umschreibt. Hier hat es einen Film dazu. Auch der Nitinol Teelöffel, der sich beim Einsatz im heissen Tee verformt, ist im Angebot.

Nitinol-Draht von Grand-Illusions

Die Firma Images Scientific Instruments hat gleich eine Reihe von Nitinol Experimenten im Angebot. Darunter eine Wärmemaschine, die durch einen in Warm- und Kaltwasserbehälter getauchten Nitinoldraht angetrieben wird, eine Laufmaschine und einen mechanischen Arm.

Nitinol Experimente von Images SI

Die Firma Reaching Insight bietet ebenfalls die Wärmemaschine an und “Muscle Wire” Kits, in denen jeweils verschiedene Nitinol-Drähte und Bauanleitungen für einfache Lifte, Hebel, Modelleisenbahn-Schranken, Papierflugzeug-Starteinrichtungen,  Schmetterlinge und eine sechsbeinige Geh-Maschine stecken.

Reaching Insight Muscle Wires

Um den Effekt kennen zu lernen, eignet sich besonders der kurze “Livewire” genannte Draht von TiNi Alloy, der mit Anleitung kommt und dessen Drahtenden mit je einer Plastikkugel abgeschlossen sind. Den Livewire gibt es z.B. in der AHA Galerie in Zürich.

TiNi Alloy

“Livewire”, eine Nitinol Büroklammer und verschiedene Nitinoldrähte mit oder ohne Wärmevorbehandlung gibt es auch beim Schweizer Versand “Klangspiel”.

Nitinol-Produke bei Klangspiel.ch

Ein Form-Gedächtnis-Draht und ein Glas warmes Wasser sind der Antrieb für dieses Windrad der Firma Exergia.

Exergia Shop

Direkt von den Herstellern Dynalloy, Memry und Memory-Metalle GmbH gibt es Nitinol-Drähte am Meter.

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