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Physikalische Zusammenhänge sind als Grundlage für die Strukturierung eines technischen Gebildes zu benutzen, wenn neuartige Lösungen gewünscht werden.

Für die Erarbeitung von Verfahrensprinzipen und Funktionsstrukturen gibt es 2 Etappen:

  • Aufbau einer Struktur aus einer Menge von Effekten, die in geeigneter Weise zu koppeln sind
  • Aufbau der Struktur durch Funktionselemente, die für die technische Realisierung eines Effekts notwendig sind, der die gewünschte Gesamtfunktion bestimmt

Beispiel - Entwicklung eines temperaturabhängigen elektrischen Schalters:

Tabelle: Entwicklung einer Funktionsstruktur aus physikalischen Effekten
Bemerkungen Syntheseschritte
Aufgabe:
Schalten eines
elektrischen Stromes
bei Temperaturänderung Dq
Gesamtfunktion
Physikalischer Effekt:
Wärmedehnung eines Körpers
Dl = l0aDq
aSt = 13 · 10-6 K-1
aMs = 18,5 · 10-6 K-1
aAl = 23,8 · 10-6 K-1
Dl     sehr klein
Funktionsstruktur 1
Verstärker erzeugt nutz-
baren Kontakt Weg s,
durch Wandler 1 Schalt
signal besser steuerbar
Funktionsstruktur 2
Bimetall ist eine
Funktionenintegration
von Wandler 2 und
Verstärker
Technisches Prinzip

In der gegebenen Gesamtfunktion ist noch offen, wie das gewünschte Schaltsignal Δ Θ in die für das Öffnen und Schließen des Schalters notwendige mechanische Antriebsbewegung, das heißt in ein Verstell wirkend, und in eine entsprechende Kraft überführt werden kann. Aus einem Katalog „Physikalische Effekte“ findet man die Wärmedehnung. Damit ist die gewünschte Funktion qualitativ erfüllbar. Die nutzbare Längenänderung ist doch so klein, dass damit der Schalter nicht direkt zu betätigen ist. Ebenso muss die Zeit des Vorgangs beachtet werden. Die Funktionskette ist deshalb durch weitere Effekte zu erweitern. Zunächst benötigt man einen Verstärker für die mechanische Bewegung mit der Ausgangsgröße S von ca. 1 mm. Dazu können der Hebel oder ähnliche Effekte genutzt werden. Um den Temperaturfühler mit der Eingangsgröße W thermisch der Umgebungstemperatur anzupassen, ist ein weiteres Funktionselement sinnvoll, das Wärmeenergie elektrisch erzeugt oder abführt. Eine Prinziplösung für die entworfene Struktur nutzt eine Halswende und eine Kombination von zwei Werkstoffen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten. Jeweils sind durch dieses Bimetall die Funktionselemente Wandler 2 und Verstärker integriert.

Durch Analyse des physikalischen Gesetzes und der Anforderungen der Aufgabenstellung sind die für die technische Nutzung des Effekts notwendigen Teilfunktionen abzuleiten.

Man erhält auch Informationen über geometrisch- stoffliche Eigenschaften und über die Anordnung der Elemente.

Wichtiges Hilfsmittel für diese Methode sind Kataloge physikalischer Effekte [Roth], [Koller], [VDI 2222].

Tabelle: Beispiel eines Kataloges physikalischer Wirkprinzipe (Auszug aus der VDI 2222)
Lösungsangebot des Kataloges   Zugriffsmerkmale Lfd.Nr.
der
ausge-
wähl-
ten
Lösung
5 7 4 2
Nr. Größe
der
eizeug-
baren
Kräfte
Konstruk-
tions-
parameter
Arbeits-
vermö-
gen der
Kraft,
Größe
Eizeu-
gende
Intensitäts-
oder Feld-
größe
Osmose
n Molzahl
21 mittel A, v, r ja Konzentra-
tions-
gradient
 
Kapillar-
wirkung

s0 Molzahl
22 klein Art der
Flüssig-
keit r
ja
klein
moleku-
lares
Feld
Adhäsion F=f(Materiel,
Rt)
Rt Rautiefe
23 Material
Rt
Schall-
druck
24 sehr
klein
Zwischen-
medium,A
Teilchen-
strahlung
El.-magnet.
Strahlungs-
druck

s Energie-
flussdichte
25
Federde-
formation
26 groß c ja Deforma-
tion
7
Elektro-
striktion
27 klein Material,
l
ja
klein
elektrische
Feldstärke
 
Magneto-
striktion
28 magne-
tische
Feldstärke
Wärme-
dehnung
29 groß ja Wärme-
strom
isotherme
Kompress.
stat. Druck

Grenzfall:
inkompr. Fluid
30 Art und
Zustand
des
Fluids, A
Deforma-
tion eines
Volumens
8
adiabate
Kompres-
sion
31
isochore
Kompres-
sion
32 sehr
groß
nein Wärme-
strom
 
Gleit-
reibung
33   m ja Kraft und
Geschwin-
digkeit
9
Widerstand
i. laminarer
Strömung
34 klein r, h Geschwin-
digkeit
Widerstand
i.turbu-
lenter
Strömung
35 d, l, l, r
dynami-
scher
Widerstand
36 A, cw, r
Dynami-
scher
Auftrieb
37 mittel A, ca, r
Magnus-
effekt
38 r, b Geschwin-
digkeit und
Winkelge-
schwin-
digkeit
elastischer
Stoß
39 sehr
groß
c, m ja
kurz-
zeitig
Geschwin-
digkeit
10
Lavaldüse
c Schall-
geschwindig-
keit
40 Art des
Mediums,
A
ja Massen-
strom
 
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