TUB/ZE VWS Fest-Colloquium am 18.04.97 Schmiechen: Modelle der Schiffstheorie

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Michael Schmiechen

Modelle und Probleme der Schiffstheorie Zum Fest-Colloquium am 18. April 1997 in der Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau Liebe Kollegen, liebe Mitarbeiter, liebe Studenten,

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ich freue mich, daß Sie der Einladung zu diesem Colloquium gefolgt sind, ohne zu wissen, was hier außer einem Umtrunk geboten wird. Sie wissen ja: ein ordentlicher Professor ist einer, der nie etwas Außerordentliches gemacht hat, und ein außerordentlicher Professor ist einer, der nie etwas Ordentliches gemacht hat. Als außerplanmäßiger Professor habe ich also nie etwas Planmäßiges gemacht, wie ein richtiger Berliner Chaot. Und so wird auch dieses Colloquium vielleicht anders ablaufen, als sich mancher gedacht hat. Schon wenn ich hier als erster Redner auftrete, entspricht das nicht den überlieferten Konventionen. Aber Sie wissen ja, von tradierten Konventionen habe ich nie viel gehalten, es sei denn, ich hätte sie ganz verstanden oder durch bessere, rationale ersetzt, nämlich durch Axiomatiken, die ich aus dem Hut zog, wo und und wie immer ich sie für notwendig hielt.

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Schon vor fünfzig Jahren, als Gymnasiast in der Sachsenwald-Oberschule, war ich überzeugt davon, daß Philosophie und Erkenntnistheorie extrem leistungsfähige Werkzeuge sind und seither habe ich versucht, sie immer wieder ganz pragmatisch einzusetzen. Mein Motto war und ist: Noch praktischer als gute Theorien ist eine solide Philosophie und ich gehe damit noch einen Schritt weiter als Weinblum und Horn. Horn, mein großes Vorbild und mein Lehrer in der Schiffstheorie, neigte, anders als Weinblum, mehr den integralen Prinzipien als den Differentialgleichungen zu. Als Ingenieur, als Erfinder habe ich mich weniger für diesen Gegensatz interessiert, sondern vielmehr für die rationale Rekonstruktion und Synthese im Hegelschen Sinne, nämlich um das Verständnis der Zusammenhänge aller Theorien und Modelle, die wir in der Schiffstheorie benutzen. Dabei war mein Anliegen nicht nur ein rein intellektuelles und theoretisches, nämlich eine der Würde des Gegenstandes und der Würde unserer Schüler angemessene Darstellung der Theorie und ihrer Probleme. Mein Anliegen war ein ganz praktisches. Ich wollte die Effizienz von Forschung und Lehre damit nicht nur schrittweise, sondern sprunghaft verbessern. Die schon von Hertz vor hundert Jahren bemängelten Peinlichkeiten bei der Darstellung der Grundlagen können wir uns meiner Meinung nach schon lange nicht mehr leisten, nicht erst jetzt im Angesicht zu langer Studienzeiten und völlig leerer Kassen.

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Die Gliederung und der Tenor für die folgenden Beispiele ergeben sich aus der Beobachtung, daß wir beim Lösen von Problemen immer auf vielen Ebenen arbeiten und auf allen Ebenen ähnliche Operationen ausführen.

Und um das effizient tun zu können, nämlich anders als Banausen oder Handwerker, die nicht wissen was sie tun, wie Sokrates sagte, brauchen wir auf allen Ebenen und für alle Operationen explizite, kohärente und angemessene Modelle. Und dies ist offenbar schon das erste Modell. MS 16:10:24 19:34 h

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So wie jede Teilaufgabe in eine überlagerte Aufgabe eingebettet ist, sind auch Modelle eingebettet in überlagerte Meta-Modelle. Die daraus folgende Lösungsstrategie ist klar: Probleme lassen sich nicht dadurch lösen, daß man sie vereinfacht, sondern nur dadurch, daß man sie einbettet in allgemeinere Probleme und Zusammenhänge. Nur so kann man auch etwas angemessen erkären. Die Sache hat natürlich nicht zufällig sehr viel zutun mit dem modischen Pardigma der Objektorientierung. Sie wissen schon, das ist die Sache mit der Vererbung. Alle Schiffe schwimmen. Das muß man nicht bei jedem Schiffstyp oder jedem einzelnen Schiff extra dazusagen. Also schwimmt auch dieses Paddelboot.

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Dies Beispiel ist natürlich trivial. Anders sieht es schon aus, wenn man die Mechanik einbettet in die Axiomatik für extensive Größen, so wie ich das in meinem Vortrag über Newtons Axiome getan habe. Diesen Vortrag habe ich inzwischen mit wachsendem Gewinn, zumindest für mich selbst, an allen Instituten rund um die Ostsee gehalten. Mich interessierte dabei ursprünglich nur die Rekonstruktion der Mechanik aus dem Geist der elementaren Erkenntnistheorie und der Hydromechanik.

Inzwischen interessieren mich auch die emotionalen Reaktionen der Ordinarien für Mechanik. Sie sind das untrügliche Zeichen, daß ich genau die wunde Stelle getroffen habe, die Heinrich Hertz schon vor hundert Jahren sehr schmerzhaft empfunden hatte. Hertz hat übrigens selber nicht für Heilung sorgen können und seither hat die Wunde scheinbar niemanden mehr im Schlaf gestört. Mich hat sie so geschmerzt, sondern schleunigst Heilung gesucht habe.

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Im Sinne der Lösungsstrategie kann man natürlich auch nach der Einbettung der Schiffstheorie fragen und nach ihrem Entwicklungsstand. Das Bild von der Hierarchie der Theorien, das ich hier male, läßt die Theorie der Schiffe erkennen als einen speziellen Teil der Mechanik. Die Theorie der Schiffe erbt die universellen Gleichungen der Systemtheorie und der Mechanik.

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Sofort erhebt sich die Frage: Wozu zusätzliche Axiome? Die Antwort ist ganz einfach: zur Definition ihrer speziellen Gegenstände durch konstitutive Gleichungen. In meinem Workshop über das METEOR-Projekt habe ich dargestellt, wie dies z. B. für Fahrzeuge mit Propellern durch das Sogaxiom und ein Nachstrom-Axiom geschehen kann. Die Situation ist natürlich genauso wie in der Mechanik der Kontinua. Die CauchyGleichung ist die universelle Impulsbilanz für alle Kontinua. Spezielle Kontinua werden durch ihre Stoffgesetze konstituiert. Deshalb sprechen die Angelsachsen ja auch richtig von constitutive laws. Es interessieren aber nicht nur die Gleichungen, sondern deren Lösungen, wie mir Prof. Spalding in London beigebracht hat. Herr Wolf wird uns etwas über die Eindeutigkeit der Lösungen der Navier-Stokes-Gleichung sagen. Darauf bin ich sehr gespannt, weil schon der Titel seines Vortrages nicht eindeutig war. Die Theorie der Wechselwirkungen war für mich ein Glücksfall. Sie bot mir Gelegenheit, die Leistungsfähigkeit meiner Philosophie pur zu zeigen. Was als kurzer Aufsatz über die axiomatische Theorie anfing, an einem Wochenende hingeschrieben, hat mich seit fast achtzehn Jahren zwar nicht ausschließlich, aber intensiv beschäftigt. Es ist eben nicht so, daß die Erkenntnistheorie etwas für Physiker sei, nicht aber für Ingenieure, wie ein Kollege am MIT einmal allen Ernstes meinte, und Professor Abkowitz daraufhin befand, meine Theorie der Wechselwirkungen und ihre Begründung sei für die

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hin befand, meine Theorie der Wechselwirkungen und ihre Begründung sei für die Mitglieder der SNAME nicht geeignet. Die STG war dagegen wesentlich liberaler. Meine Vorträge wurden immer angenommen, nur Diskussionbeiträge mußte ich nach dem Erlaß der Lex Schmiechen vor dreißig Jahren zur Kontrolle vorzeigen. Wann meine Ansätze allerdings in der Lehre Eingang finden, ist noch nichr abzusehen. Inzwischen finden sie aber Eingang in die Arbeit der ITTC und der ISO bei der Auswertung von Probefahrten. Wie man die Ansätze auch für Prognosen benutzen kann, hat Herr Dr. Kracht gezeigt. Herr Dr. Müller-Graf und Herr Professor Grossmann werden dazu heute etwas sagen. Herrn Großmannn kann ich zu seiner Beruhigung versichern: es werden keine Gleichungen mit Integralen und schon gar keine Integralgleichungen verlangt, auch wenn Herr Wolf solche verwendet. Ich benutze keine! Insoweit bin ich dem Schiffsmaschinenbau treu geblieben.

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Wechselwirkungen haben mich auch im Zusammenhang mit Strahlantrieben und Düsenpropellern beschäftigt. Auch hier konnte ich schon 1968 zeigen, daß sich das Problem nur durch Einbettung in ein Gesamtmodell angemessen lösen läßt. Das Ergebnis, daß ein hoher Düsenschub ein Zeichen für falsche Auslegung ist, ist nur scheinbar paradox. In erster Näherung ist der Düsenschub nämlich gleich dem Sog, also eine nutzlose Blindkraft. Meine ersten Überlegungen dazu basierten auf Versuchen, die ich als Anfänger in der Versuchsanstalt machen mußte. Deren Ergebnisse erschienen meinen Chefs damals schon so unglaublich und mehr eine Folge meiner Unerfahrenheit und mangelhaften Meßtechnik, als ein Resultat der reinen Schiffbau-Wissenschaft, so daß der Abschlußbericht im Keller verschwinden mußte. Ich habe mich dadurch natürlich nicht abhalten lassen, die scheinbar paradoxen Ergebnisse immer weiter zu verkünden und letztlich meine Theorie der Wechselwirkungen darauf zu bergründen. Bisher sind trotz wiederholter Androhungen noch keine ‘Richtigstellungen’ bei mir eingegangen. Der Grund ist, daß es bisher keine Theorie der Wechselwirkungen für Düsenpropeller gibt und diese Propeller immer noch so entworfen werden, als ob sie hinter dem Schiff frei fahren, und das ist selbstverständlich kein angemessenes Modell. Der Fall Freifahrt interessiert nur in Ausnahmefällen, aber auch da gibt es ein scheinbares Paradoxon. Bei gegebener Strahlbelastung ist der Düsenschub nur abhängig von der Größe des Propellers, nicht aber von der Form der Düse. Auch hierzu habe ich bisher nur laute Proteste gehört, aber noch kein einziges Gegenargument. Vielleicht fühlt sich ja jemand durch diese Bemerkungen angeregt oder provoziert, kurz Stellung zu nehmen. Weil mir mein Denken, nicht nur bezüglich des Düsenschubes, so natürlich und anschaulich schien, habe ich mich immer gewundert, daß nicht alle Kollegen nach kurzer Überlegung überzeugt waren. Ein berühmter Physiker hat sich das Leben genommen, weil er seine Kollegen nicht von der Klarheit seiner Sicht überzeugen konnte. Das war aber natürlich voreilig. Aus der Wissenschaftsgeschichte hätte er wissen müssen, daß für die Akzeptanz einer neuen Idee und eines neuen Paradigmas nicht der eigene Tod, sondern der Tod der Kollegen entscheidend ist. Leider erlebt man den meistens nicht mehr mit.

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Nicht immer reicht die klassische Mechanik. Dann ist ein allgemeineres Systemmodell notwendig. Ich habe gezeigt wie man Vorgeschichtseffekte infolge von Wellen und Wirbeln z. B. bei Stoßvorgängen, effizient mit Hilfe des allgemeinen Zustandsmodells

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beschreiben und behandeln kann. Auch hierzu fällt mir ein besonders eklatantes und anschauliches Beispiel für die effiziente Einbettung eines Modells in allgemeinere Zusammenhänge ein.

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Ich war tief beindruckt von der berühmten Kramer-Kronig-Beziehung zwischen den hydrodynamischen Dämpfungen und Trägheiten und von einer sehr schönen potentialtheoretischen Begründung.

Mein Staunen war aber nicht gering, als ich später feststellte, daß der Zusammenhang ein rein mathematischer ist, der für alle sogenannten kausalen Funktionen gilt. Übertragungsfunktionen sind aber von Hause aus kausale Funktionen, die ganze Hydrodynamik war also in diesem Falle völlig überflüssig, wenn nicht sogar irreführend.

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Ich wollte nie partout etwas anders machen, sondern ich wollte immer partout dahinter kommen, wie es richtig ist, nicht wie es wirklich ist. Das werden wir ja leider nie erfahren, wie wir seit Platons Höhlen-Gleichnis und seit Kants Kopernikanischer Wende wissen. Wir sitzen hier angekettet auf unseren Stühlen und sehen nur die Schatten an der Wand. Wir nehmen nur den Input und den Output der Systeme wahr, aber über das, was in dem Systemen drin ist, über die Dinger an sich, werden wir leider nie etwas erfahren. Die Zustandsmodelle, die wir uns im Rahmen unserer Meta-Axiomatik konstruieren, sind beliebig, solange sie bei gleichem Input nur den gleichen Output liefern. Da ist nur enttäuschend für Leute, die immer noch glauben, es gäbe nur ein richtiges Modell, es ist aber kollosal beruhigend für uns Ingenieure. Platon hat uns einen ungeheuren Gestaltungsspielraum eröffnet. In Hamburg sagt man dazu wohl ‘die große Freiheit’.

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Nachdem jetzt soviel von dem Platonischen Ideenhimmel die Rede war, nun noch zur Wirklichkeit, der Interpretation der Begriffe. Erstens ist das eine cura posterior, wie das duale Modell der Theorien uns lehrt. Zweitens werden Probleme nicht dadurch gelöst, daß man sie mitander vermischt. Wenn ich bei manchen Vorträgen darauf hinwies, dies sei jetzt nicht mein Problem, dann wurde mir das häufig als Ausweichen vor den ‘wirklichen’ Problemen ausgelegt. Die Identifikation von Systemen war für mich aber immer ein besonderes Anliegen. Ich will hier nur auf die METEOR- und die CORSAIR-Projekte hinweisen. Wie anders kann man etwas über Schiffe erfahren, als durch Versuche mit den Schiffen selbst? Dafür genügen keine Versuche mit physikalischen oder numerischen Modellen. Wenn Sie wissen wollen, was ich für ein Kerl bin, dann müssen Sie auch mit mir sprechen, nicht mit meinem Modell, nämlich meinem Sohn, oder mit meinem Computer. Herr Jordan wird etwas über die CORSAIR-Versuche sagen. Er hat sowohl mit dem Schiff als auch mit dem Modell gesprochen, natürlich auch mit mir und mit verschiedenen Computern. Apropos numerische Modelle und Berechnungen. Ich habe darüber noch gar nichts gesagt. Nach meiner Auffassung von der Theorie der Schiffe sind sie nur soweit von Bedeutung als sie Werte für Begriffe liefern, die die Schiffstheorie kohärent definiert.

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Ein Beispiel ist der Widerstand von Schiffen. Bisher ist immer nur der Widerstand von Schiffen ohne Propeller berechnet worden. Der interessiert aber eigentlich gar nicht, weil es kaum Schiffe ohne Propeller gibt. Und was der Widerstand eines Schiffes mit Propeller ist, kann nur die Theorie der Schiffe sagen.

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Die Antwort sucht man in der Literatur aber noch vergebens, es sei denn in den Arbeiten von Schmiechen und Kracht. Wir werden hören, was Herr Dr. Müller-Graf über seine Erfahrungen aus Experimenten dazu sagt.

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Zur Identifikation gehört natürlich auch viel professionelles Handwerk. Ich will hier nicht auf die Finessen bei der Schätzung von Spektren oder zur Unterdrückung des Rauschens bei Rückkopplung eingehen, sondern nur kurz auf die Technik der transienten Versuche im Betriebsbereich. Wie bei den Propulsionsversuchen ist es auch bei Manövrier- und Seegangsversuchen, ja schon bei der Kalibrierung von Waagen, unsachgemäß, für die Identifikation von Parametern künstliche Zustände herzustellen, die in der Praxis nicht auftreten. Solche Betriebszustände ermöglichen zwar eine separate, Anfängern und Laien leicht verständliche Identifikation von Parametern, führen aber leider zu systematisch falschen Ergebnissen. Wir müssen entscheiden, was wir wollen. Auch mit dieser Erkenntnis ziehe ich durch die Welt wie ein Wanderprediger, aber keiner will das Evangelium hören.

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Als letzte Makrooperationen will ich noch Regelung, Steuerung Bewertung, Beurteilung und Entscheidung erwähnen. Auch hierzu ein Beispiel für die Notwendigkeit der Einbettung in allgemeinere Zusammenhänge.

Wenn wir schon wissen, daß adaptive Regler, z. B. Rudergänger oder Neuro-FuzzyMaschinen, Regelkreise sehen, deren Zeitkonstanten durch die Rudermaschinen bestimmt werden, wie genau müssen wir dann eigentlich noch die Eigenschaften von Schiffen bestimmen? Herr Jordan, mit dem ich nicht nur fuzzy viel über diese Probleme diskutiert habe, wird uns auch hierzu etwas sagen.

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Damit aber immer noch nicht genug der Themen, die ich spannend und aufregend fand. Ich erwähne als weitere Probleme ‘nur’ die Standard Symbole der ITTC und die neutralen Datenmodelle entsprechend der STEP-Norm und die Qualitätssysteme nach ISO 9000 ff. Dabei handelt es sich nicht um einfache oder gar Pseudoprobleme, für die mir mein kurzes Leben immer viel zu kostbar war. Ich vermisse nur die Beiträge der etablierten Schiffstheorie zur Lösung dieser für die Praktiker drängenden Probleme. Das Datenmodell Hydromechanik, das ich zusammen mit Herrn Stolte entwickelt habe, hat der inzwischen wesentlich weiterentwickelt und angewendet. Die neuesten Ergebnisse, die er uns heute zeigen will, kenne ich auch noch nicht.

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Wie aber kann man meine Strategie praktizieren und lehren? Indem man angemessene, kohärente Hierarchien von Modellen aufbaut: von einem Modell der Welt, über ein Modell von Theorien, zu einem Modell von Sprachen, Modellen von Systemen und so fort. Alle diese Modelle gibt es natürlich. Wir Ingenieure müssen nur die einfachsten kennen, verstehen und benutzen. Wir müssen uns nur eingebettet sehen in größere Zusamenhänge. Den Studenten, die zu mir auf die Schleuseninsel kamen und kommen, sage ich immer, gerade die einfachsten Dinge sind noch nicht klar, so z. B. noch nicht einmal die Auswertung von Probefahrten. Es gäbe noch genug für sie zu tun, wenn man sie denn nur ließe. Eigentlich wollten sie heute hier auch etwas sagen, aber bei der Arbeit verschwammen ihnen die Schatten an der Wand ihrer Höhle und damit natürlich auch die Modelle ihres Zustandes.

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Mir wird jetzt der tägliche Bezug zu den Anwendungen fehlen, der in der Versuchsanstalt so anregend war und meine Arbeiten geprägt hat. Ich hoffe aber, daß ich mich jetzt ganz den wahren Problemen widmen kann und daß meine Arbeiten vielleicht für

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den einen oder anderen von Nutzen sein werden und eventuell sogar Anlaß, sie fortzuführen. Ich bin nicht nur davon überzeugt, daß es sich es sich lohnt, ich weiß es.

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