Strömungsvisualisierung am menschlichen Schwimmer (Ernst-Abbe-Stiftung)

Ziel ist die Etablierung einer transportablen Beleuchtungseinheit zur Visualisierung der Strömung in der Umgebung von Schwimmern. Derzeit wird im Rahmen eines DFG-Schwerpunktsprogramms (DFG-SPP 1207) mit Hilfe der Particle-Image-Velocimetrie (PIV) die Strömung in der Umgebung von Athleten beim undulatorischen Schwimmen untersucht. Zur näheren Erläuterung des Sachverhalts befinden sich im Anhang zwei Veröffentlichungen (Publikation bei Human Movement Science, 2011) und ein Buchbeitrag (Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 2012, in press).
Dabei wird die Bewegung der dem Wasser zugegebenen, schwebenden Partikel (Durchmesser: 100 µm) mit Hilfe eines leistungsstarken Klasse IV-Lasers (gegenwärtig leihweise durch das DFG-Schwerpunkprogramms zu ausgewählten Zeitpunkten zur Verfügung gestellt) beleuchtet und durch eine Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Die extreme Anfälligkeit des Lasers (Transport, Justierung, Staub, etc.) sowie die hohen Kosten des Systems (Kaufpreis: >150.000 €) erschweren den routinemäßigen Einsatz in der Forschung und machen eine Etablierung des Verfahrens im Trainings- und Diagnostikbereich unmöglich. Weiterhin ist der Einsatz des Laser-Systems nur in Schwimmbecken mit seitlich eingebautem Unterwasserfenster möglich, da der Laser im Keller außerhalb der direkten Schwimmhallenumgebung mit dessen feuchten und warmen Klima positioniert werden muß.
Daher wurde im Rahmen eines Praktikums eine Alternative auf LED-Basis entworfen, die in jedem Schwimmbecken einsetzbar sein sollte. In einem wasserdichten Gehäuse werden Hochleistungs-LEDs, Blenden und Linsen auf einer Länge von etwa 1m so neben einander angeordnet, daß ein überwiegend homogener 1m langer und 10-15 mm dicker Lichtschnitt entsteht. Das Vorhaben ist technisch grenzwertig, die Machbarkeit wurde jedoch theoretisch und in einem Laborversuch im verkleinerten Maßstab bereits gezeigt. Eine hochempfindliche Hochgeschwindigkeitskamera steht zur Verfügung, es fehlen jedoch noch ein wasserdichtes Unterwassergehäuse und die Befestigung des Unterwasserkameragehäuses im Wasser. Darüber hinaus muß eine zweite, in zahlreichen Instituten bereits vorhandene Kamera (50 Hz) eingebracht werden, die es erlaubt synchron zur Strömung die Bewegung des Schwimmers zu erfassen. Die gesamte Konstruktion muß gültige Sicherheitsbestimmungen einhalten (z.B. Verwendung von Niederspannung (24V) und galvanischen getrennten Netzteilen, etc.)
Die Strömung wird durch Verfolgung von suspendierten Partikeln rekonstruiert. Da die bisher verwendeten Polyamid-Partikel nicht in allen Schwimmbecken problemlos durch die dort verwendeten Filteranlagen herausgefiltert werden kann, suchen wir nach Alternativen. Die Teilchen müssen einerseits genügend Licht reflektieren und andererseits die gültigen Hygieneanforderungen für Schwimmbäder erfüllen. Erste Versuche mit organischen Kristallen bzw. kleinen Luftbläschen zeigen bereits eine Richtung auf.