Leonardo da Vinci­Erfindungen

Leonardo entwarf die Schwingen seiner Fluggeräte nach den natürlichen Formen der Flügel von Flugtieren, wie Vögel und Fledermäusen. Er gilt daher als Erfinder der Bionik, der Übertragung von Prinzipien der Natur auf die Technik.

Leonardo hatte zunächst vor, mit seinen Fluggeräten den Flügelschlag der Vögel zu imitieren. Solche Fluggeräte werden Ornithopter genannt. Hierfür ersann er zwei Versionen, eine stehende und eine liegende. Die Flügel sollten mit menschlicher Muskelkraft über Seile, Rollen und mechanische Gelenke bewegt werden können. Dabei sollten die Arme ebenso wie die Beine eingesetzt werden. Als Leonardo erkannte, dass schiere Muskelkraft nicht ausreichen würde, begann er Segelgleiter zu entwerfen.

Um Verletzungen bei einer eventuellen Bruchlandung zu verhindern, empfahl Leonardo die Piloten mit Luftsäcken zu umkleiden. Das sollte den Aufprall aus geringen Höhen dämpfen und so schwere Verletzungen vermeiden. Das damals neuartige Prinzip, heftiges Aufprallen durch nachgebende Luftkissen abzufedern, ist heute als Airbag bekannt (engl. 'Luftsack', 'Aufprallkissen'). Airbags werden in modernen Autos dazu eingesetzt, die Insassen im Falle eines Unfalls vor Stößen gegen das Fahrzeuginnere zu schützen.

Im Gegensatz zu vielen anderen Erfindungen Leonardos wurde eines der Fluggeräte vermutlich tatsächlich gebaut und es gab 1505 einen Flugversuch. Leonardo war 53 Jahre alt. Er notierte sich auffallend pathetisch:

"Zum ersten Mal wird der große Vogel sich erheben, vom Rücken des gewaltigen Schwans aus. Erfüllen wird er die ganze Welt mit Staunen und alle Schriften mit seiner glorreichen Tat, zum ewigen Ruhm des Nestes, wo er geboren ward."

Mit dem "Rücken des gewaltigen Schwans" ist der Schwanenberg gemeint ('Monte Ceceri'), ein Hügel unweit von Florenz. Der Hügel fällt zu einer Seite sehr steil ab und eignet sich daher ideal für den Start eines Segelgleiters. Heute befindet sich dort ein Gedenkstein zur Erinnerung an Leonardos Versuche. Zu Füßen des Hügels befindet sich der Ort Fiesole.

Das Zitat ist der letzte Satz im Codex Turin, Leonardos Buch über den Vogelflug. Dort hatte er in beeindruckender Kürze die Prinzipien des Fliegens am Beispiel des Vogelflugs zusammengefasst. Leonardo schreibt dort auch, dass er sich im März 1505 auf den Weg nach Fiesole befindet. Da das Buch neben der pathetischen Ankündigung ("wird der große Vogel sich erheben") auch technische Zeichnungen enthält, wird angenommen, dass Leonardo es begleitend zu einem praktischen Flugversuch anfertigte, der bei Fiesole stattfand.

Doch der Versuch schlug wohl fehl, da das Notizbuch an der Stelle endet und Leonardo in anderen Schriften keine Flugversuche erwähnt. Es ist daher unklar, ob es nach dem (angenommenen) Fehlschlag bei Fiesole zu weiteren Flugversuchen kam. Wären die Versuche erfolgreich gewesen, wäre Leonardo – 300 Jahre vor Otto Lilienthal – der erste Konstrukteur eines Segelfliegers gewesen.

Verschiedentlich ist zu lesen, Leonardo hätte das Konzept der Flugschraube von einem chinesischen Kinderspielzeug übernommen. Und in der Tat erinnert die Art in der Leonardo das Lineal als Beweis anführt, an ein jahrhundertealtes ostasiatisches Kinderspielzeug, ein bamboo dragonfly. Dieses Spielzeug besteht aus einem linealartigen Holzplättchen, auf das senkrecht mittig ein dünnes Stäbchen genagelt wurde. Weil mindestens einer der Flügel leicht nach oben gekippt ist, kann das Stäbchen zwischen den Handflächen in Rotation versetzt werden und abheben.

Leonardo pflegte gute Beziehungen zu international Reisenden, z.B. Benedetto Dei, der Europa, Nordafrika und den Orient bereiste. Deren Erzählungen faszinierten Leonardo und er hörte interessiert zu. Daher existiert eine Beschreibung des Kaukasus durch Leonardo, die so lebendig erscheint, als wäre er selbst da gewesen. Aufgrund der internationalen Handelswege und Erzählungen in Leonardos Umfeld ist es also durchaus denkbar, dass er von dem chinesischen Spielzeug Kenntnis gehabt haben könnte.

Konnte Leonardos Helikopter fliegen?

Der Helikopter wurde nie gebaut, aber er hätte zum damaligen Zeitpunkt auch nicht fliegen können. Zum einen war das Gewicht der Holzkonstruktion zu hoch, zum anderen fehlte ein ausreichend starker Antrieb, um die Luftschraube abheben zu lassen.

Abgesehen von den Materialien und dem Antrieb ist das Prinzip des Auftriebs mittels einer Luftschraube von Leonardo jedoch richtig erkannt worden. Ein Nachbau des Entwurfs wäre mit heutigen Mitteln (Leichtbauweise und Elektromotor) ein flugfähiger Helikopter. Daher gilt Leonardos Skizze der Luftschraube als die erste jemals entworfene vertikale Start- und Landeflugmaschine (VTOL).

Moderne Adaptionen

Anlässlich den 500. Todesjahres von Leonardo da Vinci im Jahr 2019 reichten Studenten der University of Maryland bei einem Designwettbewerb für Helikopter einen Entwurf ein, der auf dem Prinzip von Leonardos Luftschraube beruht.

Statt nur einer Luftschraube verwendeten sie aus Sicherheitsgründen jedoch vier von Leonardos Luftschrauben, die im Quadrat verbunden waren. In deren Mitte befand sich die Kapsel des Piloten. Aus Kostengründen konnten sie nur eine Mini-Drohne und eine 3D-Simulation erstellen. Doch die Berechnungen waren exakt und so konnten sie nachweisen, dass Leonardos Prinzip der Luftschraube grundsätzlich funktioniert. Die Details können auf der Seite der University of Maryland nachgelesen werden (englisch).

Direkt darunter macht Leonardo die Skizze vom Fallschirm und schreibt dazu:

"Wenn ein Mensch ein Zeltdach aus abgedichteten Leinen, das zwölf Ellen breit [ca. 6m] und zwölf hoch sein soll, über sich hat, so wird er sich aus jeder noch so großen Höhe herabstürzen können, ohne Schaden zu nehmen."

Welchen Zweck hatte der Fallschirm?

Leonardo erfand den Fallschirm nicht zum Selbstzweck, sondern er steht im Zusammenhang mit seinen Flugversuchen. Leonardo war sich im Klaren darüber, dass ein Fluggerät über ein Notfallsystem verfügen musste, dass im Falle eines Absturzes das Leben retten konnte. Die Idee zum Fallschirm muss aus dieser Überlegung heraus entstanden sein. An anderer Stelle empfiehlt Leonardo die Flugversuche über Gewässern durchzuführen, um im Fall eines plötzlichen Absinkens dennoch sicher landen zu können.

Wurde der Fallschirm erprobt?

Leonardo hat nur diese eine beiläufige Zeichnung zum Fallschirm angefertigt. Es ist unbekannt, ob dieses Fluggerät zu seinen Lebzeiten realisiert wurde.

Die Flugfähigkeit des gezeichneten Fallschirms wurde von Experten lange Zeit diskutiert. Der Brite Adrian Nicholas wagte am 26. Juni 2000 mit einem nach dieser Skizze entstandenen Fallschirm aus mittelalterlichen Materialien einen Testsprung. Er ließ sich über dem südafrikanischen Kruger-National Park mit einem Heißluftballon in 3000m Höhe ziehen. Dann löste er sich und gleitete im sanften Sinkflug zum Boden. Nach 5 Minuten und 2200m Sinkflug musste er sich jedoch ausklinken und landete mit einem zusätzlich mitgeführten modernen Fallschirm. Der Fallschirm Leonardos ist mit ca. 100kg fast viermal so schwer wie moderne Fallschirme. Wäre Nicholas bei der Landung unglücklich aufgekommen, hätte der schwere Fallschirm auf ihn fallen und ihn verletzen können.

Nachdem die grundsätzliche Funktionsweise von Leonardos Fallschirm bewiesen wurde, kam es zu zahlreichen Nachahmungen, die häufig filmisch dokumentiert wurden. Sie geben heute einen traumhaften Eindruck davon, wie weit Leonardo seiner Zeit voraus war.

Über der linken Innenansicht

"Auf diese Art ist das Innere angeordnet"

Darunter

"8 Männer bedienen es, und diese Männer steuern es auch und verfolgen den Feind"

Unter der rechten Außenansicht

"Dies ist gut um die Reihen zu durchbrechen, aber man [die Infanterie] muss folgen".

Der Panzer wurde nie gebaut oder für Kriegszwecke eingesetzt.

Eine Besonderheit der linken Darstellung ist der Kurbelantrieb. Der Darstellung nach müssten sich die Räder die durch jeweils eine Kurbel angetrieben werden gegeneinander blockieren. Die Kurbel kann nicht bewegt werden, der Panzer nicht fahren.

Da Leonardo da Vinci an anderer Stelle weit kompliziertere Zahnradkonstruktionen skizzierte, verwundert dieser Darstellungsfehler. In der Forschung werden verschiedene Theorien diskutiert.

• Leonardo wollte die Zeichnung vor Nachahmung schützen. Das Argument wird oft auch als Erklärung für die Verwendung der Spiegelschrift herangezogen
• Da Vinci hatte moralische Skrupel und wollte, dass der, dieser Skizze nach nicht funktionsfähige Panzer nie im Krieg hätte eingesetzt werden können. Demnach hätte jeder Nachbau ein unbewegliches Modell erzeugt. Allerdings wäre dies von einem erfahrenen Konstrukteur leicht zu erkennen und zu beheben gewesen
• Es kann sich schlicht um einen Flüchtigkeitsfehler handeln.

Funktionsweise

Panzerung

Das neue an Leonardos Entwurf für eine Panzerung war die um ca. 30° geneigte Außenpanzerung, die die Wahrscheinlichkeit erhöhte, dass gegnerische Kugeln an der vermutlich aus massiven Holzplanken bestehenden Verkleidung abprallen konnten. Gleichzeitig verbesserte sich durch die schräge Panzerung der Blickwinkel des Panzerkommandanten auf die unmittelbare Umgebung. Dieser sollte aus einem Turm mit 360° Sichtschlitz auf das Schlachtfeld blicken können.

Feuerkraft

Das Fahrzeug sollte rundherum mit Schießscharten ausgestattet werden. Eine Rauchentwicklung durch Kanonen im Inneren des Panzers war nicht zu befürchten, da zu dieser Zeit noch Vorderladerkanonen verwendet wurden, die das Geschoss mitsamt den Explosionsgasen aus dem Wagen lenkten.
Anders als in der modernen Forschung angenommen, ist es nicht eindeutig, dass es sich ausschließlich um einen Kanonenwagen handeln sollte. Denn Kanonen, Kugeln und Pulver hätten das Fahrzeug zu schwer gemacht. Auch hätte ein solches Vehikel weit mehr als die geplanten 8 Mann Besatzung benötigt.
Auf der Zeichnung selbst sind dann auch nicht nur Kanonen zu erkennen. Vielmehr dürfte es sich bei den seitlichen Aussparungen um Öffnungen für Musketenschützen gehandelt haben. Dies wird vor allem bei der mittleren Öffnung deutlich, bei der zwei übereinanderliegende Flintenläufe gezeigt werden. Die von Leonardo gezeichnete Rauchentwicklung spricht ebenfalls dafür, dass sich Kanonen nur im vorderen Teil des Panzers befinden sollten.

Das Fahrzeug hätte über Handkurbeln, die mit den Rädern verbunden waren, in Bewegung versetzt werden müssen. Durch Anpassen der Kurbelgeschwindigkeit auf der einen, wie der anderen Seite, hätte sich das Fahrzeug lenken lassen. Ebenfalls neuartig war die Idee, die Räder des Kampfwagens unter die Panzerung zu setzen, so dass sie weniger anfällig für Zerstörung und damit drohender Manövrierunfähigkeit waren.

Leonardo schreibt, dass diese Maschine eine Kugel im Gewicht eines Talents sechs Stadien weit geschleudert hat. Das entspricht einer Kugel von ca. 30kg über eine Distanz von ca. 1,2km.

Die antiken Maßeinheiten die Leonardo nennt, legen nahe, dass er den Versuch nicht selbst durchgeführt hat, sondern sich auf die Versuche von Archimedes bezieht. Ein militärischer Einsatz zur Zeit der Renaissance ist nicht bekannt.

Die Kanone hat gegenüber konventionellen Kanonen den Vorteil, dass sie ohne Schießpulver funktioniert. Allerdings kann sie nicht bei Regen eingesetzt werden, was sie für den militärischen Einsatz untauglich macht. Dennoch wurde von einigen Militärs im 18.Jh. die Idee erneut aufgegriffen, doch gingen diese Versuche nicht über Prototypen hinaus.

Die wesentliche Erkenntnis die Leonardo hier gewonnen hat, war hingegen eine andere. Leonardo war beständig auf der Suche nach leistungsstarken Antriebsquellen für seine mechanischen Maschinen. Sicher kannte Leonardo den Heronsball des antiken Gelehrten Heron von Alexandria, einen Motor, der die thermische Energie von Wasserdampf in Bewegungsenergie umwandelt (s. Heronsball).

Die Kraft, die von entstehenden Wasserdampf in einem Druckbehälter ausgehen kann, muss auf ihn großen Eindruck gemacht haben. Dieses Prinzip war die Grundlage der zivilen Nutzbarmachung des Wasserdampfes durch Dampfmaschinen, die 200 Jahre später die industrielle Revolution einläutete.

Einige Skizzenblätter Leonardos lassen darauf schließen, dass er einen mechanisch angetriebenen Ritter erdachte. Der mechanische Ritter könnte, ebenso wie das Aufziehauto oder der mechanische Löwe, anlässlich eines höfischen Festes in Mailand vorgeführt worden sein. Es ist jedoch unbekannt, ob der mechanische Ritter verwirklicht wurde. Was über seine Funktionsweise bekannt wurde, sind technische Interpretationen dreier Blätter des Codex Atlanticus (579r, 1021r/v, 1077r). Demnach konnte er aufstehen, sitzen, die Arme bewegen und den Kopf drehen. Möglicherweise war er auch in der Lage, mechanisch erzeugte Töne von sich zu geben.

Es scheint also, dass Leonardo derartige Automobile mit Aufziehmechnismen vor allem dafür eingesetzt hat, seine adeligen Gönner am Hofe zu unterhalten. Sie waren vielmehr mechanische Spielereien, als ernstgemeinte Fortbewegungsmittel oder eigenständige Roboter. Zu ihrer Zeit jedoch waren derartige Maschinen noch nie zuvor gesehene Wunderwerke.

Leonardo nutzt für seinen Wasserlauf das Auftriebsprinzip, dass jeder Schwimmer und Bootfahrer kennt, das aber erst von Archimedes wissenschaftlich begründet wurde.

Demnach ist der statische Auftrieb eines Körpers in einem Medium genauso groß, wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums.

In der Praxis bedeutet dies, dass die Schuhe von Leonardos Läufer so groß sein müssen, dass ihr Volumen das Gewicht des Läufers ausgleicht. Das heißt die Schuhe müssen etwa soviel Liter Wasser verdrängen, wie der Läufer in kg wiegt.

Beispielrechnung: Eine ca. 80 kilo schwere Person, benötigt zwei wasserdichte Schuhe, die als Quader je 20cm hoch, 20cm breit und 1m lang sind. Zusammen verdrängen beide Schuhe dann etwa 80 Liter.

Um das Volumen der Schuhe möglichst klein und damit praktikabel zu halten, sollten die Schuhe genau auf das Gewicht des Läufers abgestimmt sein. Sie müssen nach oben hin wasserdicht sein, so dass sie nicht mit Wasser volllaufen können. Das Gewässer sollte zudem möglichst ruhig sein. Die Armstützen dienen dem Halten des Gleichgewichts. Diese haben ebenso Wasserschuhe. Ein solcher Wasserlauf wäre dann mit Skifahren vergleichbar. Geübte Wasserläufer können auf die Armstützen verzichten.

Wie bei vielen Erfindungen Leonardos ist auch hier unklar, ob ein Wasserlauf realisiert wurde.

Das Prinzip des Auftriebs nutzte Leonardos auch für eine weitere Erfindung, den Rettungsring. Er schlug vor, einen Lederschlauch mit Luft zu füllen und im Wasser die Arme durchzustrecken. Auf diese Art sollte der Schlauch Menschen als Schwimmhilfe dienen.

Leonardo gilt weithin als der Erfinder des U-Boots. Sein Unterwasserfahrzeug hat bereits das typische Aussehen heutiger U-Boote: stromlinienförmiger Rumpf und einen Turmaufsatz für Überwasserfahrten. Rechts oben auf dem Blatt zeigt Leonardo die doppelwandigen Seitenhüllen. Werden sie mit Wasser gefüllt, sinkt das Boot. Wird das Wasser herausgepresst, steigt das Boot. Nach demselben Prinzip funktionieren moderne U-Boote auch heute noch. Leonardo separiert in seiner Skizze die Hohlkammern der Seitenwände von denen in Bug und Heck. Durch das Fluten der Bug- bzw. Heckkammern, kann das U-Boot horizontal geneigt werden.

Was dem Entwurf an dieser Stelle fehlt, sind Steuervorrichtungen, ein Antrieb und die Angabe, wie der Wasserstand in den Seitenkammern genau reguliert wird.

Dass Leonardo über die notwendigen Pumpen verfügte, das Wasser wieder aus den Seitenkammern zu drängen, belegen zwei Skizzen auf dem bereits bekannten Blatt mit dem Wasserläufer. Darüber hinaus hat Leonardo etliche Apparate konstruiert, die das Abpumpen von Wasser in den Zwischenwänden ermöglichen würden.

Bis hierhin ist Leonardos U-Boot also in der Lage zu schwimmen, zu tauchen und wieder aufzusteigen. Als Lichtquelle in dem dunklen Gefährt konnte, wie in den ersten "echten" U-Booten auch, eine herkömmliche Kerze dienen, auch wenn diese zusätzlich Sauerstoff verbrauchte. Bis die Atemluft in dem U-Boot knapp werden würde, müssten mehrere Stunden vergehen. Grundsätzlich kann ein U-Boot mit nur einer Person betrieben werden, wie am Beispiel der Turtle zu erkennen ist.

Leonardos gedankliche Leistung wird dann klarer, wenn sein U-Boot mit dem ersten realisierten U-Boot verglichen wird, der US-amerikanischen "Turtle". Das bereits voll funktionstüchtige Unterwasserfahrzeug wurde ca. 250 Jahre nach Leonardos Tod im amerikanischen Unabhängigkeitskrieg eingesetzt. Es sollte gegnerische Schiffe mit Sprengladungen versenken.

Im Prinzip des Tauchvorgangs unterscheidet es sich nicht von Leonardos U-Boot. Es hat im Boden einen Hohlraum, der mit Wasser gefüllt wird, wenn getaucht werden soll, und der mit Pumpen geleert werden kann, wenn das U-Boot wieder aufsteigen soll. Zusätzlich hat die Turtle lediglich eine Handkurbel, über die ein Propeller als Antrieb genutzt wird, dazu ein Seitenruder, mit dem nach links und rechts gesteuert werden kann.

Angesichts Leonardos umfassender mechanischer Kenntnisse, wäre es naiv zu glauben, er hätte keine Idee gehabt, sein Unterwasserfahrzeug nach links und rechts zu steuern, bzw. einen Rotor mit einer Handkurbel zur Fortbewegung anzubringen. Die Kenntnis des Rotorprinzips als Antriebskraft zeigt Leonardo wenig später in seinem Modell vom Helikopter, das sich im selben Notizbuch wie das U-Boot befindet. Die Zeichnung vom U-Boot entstand dabei als erste (folio 11 vs folio 83).

Hier wird häufig Leonardos soziales Verantwortungsgefühl angeführt. Das Verfügen über eine U-Bootflotte hätte zur damaligen Zeit sicherlich die Seeherrschaft bedeutet. Keine Flotte hätte etwas gegen diese Art der Kriegführung unternehmen können. U-Boote konnten erst mit Beginn des 20. Jh. effektiv bekämpft werden. Zu dem Zeitpunkt begann die Entwicklung von Sonargeräten, durch die U-Boote unter Wasser entdeckt und dann gezielt bombardiert werden konnten.

Funktionsweise

Der Taucheranzug bestand aus einem wasserdichten Ganzkörperanzug aus Leder mit eingenähten gläsernen Öffnungen für die Augen. In der Zeichnung trägt der Taucher zwei größere Gewichte über den Schultern, um auf dem Meeresboden laufen zu können.

Um den Taucher mit Atemluft versorgen zu können, wollte Leonardo einen überdimensionalen Schnorchel verwenden. Auf der Wasseroberfläche trieb eine schwimmende Boje aus Kork, von der zwei Atemrohre zum Kopf des Tauchers führten. Die zwei Rohre – einer für die Luft zum Einatmen, der andere für die ausgeatmete Luft – bestanden aus mehreren stabilen Rohren, die über elastische Gelenke miteinander verbunden wurden. Die mit einem wasserdichten Stoff überzogenen Gelenke wurden innen durch spiralförmig gedrehten Draht oder ähnliches verstärkt und damit offen gehalten, um nicht vom Wasserdruck zusammengepresst zu werden. Ein solches Schlauchsystem, ermöglichte dem Taucher eine gewisse Bewegungsfreiheit. Wie das Ventil zum Trennen von frischer und verbrauchter Atemluft genau funktionierte, geht aus der Zeichnung nicht hervor.

Der Taucheranzug ermöglichte neben der Fortbewegung in der Luft, auf dem Land und auf dem Wasser nun auch die Fortbewegung unter Wasser. Doch dachte Leonardo neben einer zivilen Nutzung sicherlich auch an eine militärische Nutzung der submarinen Neuerungen, denn auf demselben Blatt befindet sich rechts vom Taucher eine Vorrichtung zum Anbohren von Schiffen, um sie zu versenken. Typisch für Leonardo gibt er an anderer Stelle auch Hinweise sich dagegen zu wehren, z.B. durch doppelte Schiffswände, wobei der äußere nur als Schutzschild gegen derartige Angriffe dienen sollte und durch einen Hohlraum von dem Inneren getrennt war.

Funktioniert Leonardos Taucheranzug?

Leonardos Taucheranzug wurde nie hergestellt. Leonardos Dienstherr, der Mailänder Herzog, verfügte über keinen direkten Zugang zum Meer und so bestand für ihn kein Bedarf an der Erfindung, sofern er überhaupt davon wusste. Denn an anderer Stelle vermerkt Leonardo, dass er eine Möglichkeit gefunden hätte, Schiffe ungesehen zu versenken, doch möchte er dies als Geheimnis wahren, da die Einsatzmöglichkeiten zu verheerend seien. Vermutlich meinte er damit die Ideen auf diesem Blatt.

Die BBC fertigte im Rahmen einer Dokumentation zu Leonardos Erfindungen einen Nachbau des Taucheranzugs an, und konnte mit Unterstützung von Berufstauchern aufzeigen, dass die Prinzipien von Leonardos Taucheranzug grundsätzlich funktionieren.

Hat Leonardo den Taucheranzug erfunden?

Leonardo war nicht der erste, der einen Taucheranzug entwarf. Er sammelte die damals bekannten Ideen und verbesserte sie da, wo es nötig war. Zu seinen technischen Neuerungen zählten die Verwendung eines stabilen Röhrensystems, das dem Druck des Wassers besser standhalten konnte. Die Einführung von flexiblen Gelenken der Rohre, um die Bewegungsfreiheit zu verbessern war ebenso neuartig, wie das Trennen der Atemluft mittels eines Ventils.

Was Leonardos Entwicklung des Taucheranzuges so besonders macht, ist, dass sein Taucheranzug nicht für sich allein steht, sondern Teil eines durchdachten Systems von Erfindungen ist, die zum Ziel haben, das Element Wasser genauer erforschen zu können. Wie bei der Eroberung des Elements Luft ging Leonardo systematisch vor und entwarf ein Gerät, um über Wasser laufen zu können, ein Unterwassergefährt, ein Notfallrettungssystem und schuf schließlich die Möglichkeit auch zu Fuß unter Wasser gehen zu können.