Die vorliegende Arbeit präsentiert Grundlagen, Versuchstechniken und neue Erkenntnisse des Systems Spinnennetz. Die bereits vorhandenen Kenntnisse über dieses Vorbild aus der Natur werden erweitert und bemerkenswerte Eigenschaften identifiziert. Spinnenseide ist ein herausragendes Biopolymer, dass herkömmliche synthetische Fasern in einer Reihe von Eigenschaften übertrifft. Der Bionik und Materialforschung ist es ein Anliegen diese Fähigkeiten zu nutzen. Besonders die Fähigkeiten der Seide zur Absorption kinetischer Energien stechen hervor. Neuste Fortschritte in der rekombinaten Herstellung versprechen, diesen Werkstoff in naher Zukunft in großen Mengen synthetisch herstellen zu können. Zu Beginn wird ein Überblick über die besonderen Eigenschaften von Spinnenseide und -netz, sowie den bisherigen Forschungsstand gegeben. Außerdem werden die notwendigen mathematischen Grundlagen zur Analyse von Schwingungen erarbeitet. Dabei wird außerdem das Shock Response Spectrum (SRS) und dessen Berechnungsmethoden erläutert. Anhand verschiedener Quellen wird ein standardisiertes SRS entworfen und in Form eines Matlab-Skriptes implementiert. Für die Versuche werden Netze der Spinnenart Argiope Argentata verwendet. Zur Vermessung wird ein Versuchsaufbau entworfen und aufgebaut, um die Netze mit Projektilen in Schwingung zu versetzen. Die resultierenden Schwingungen werden mit Interferometern aufgezeichnet. Mit einer Reihe von Auswertungsskripten werden die Messungen detailliert analysiert, um Eigenschaften zu identifizieren und zu quantifizieren. Außerdem wird das SRS des Netzes berechnet. Dabei zeigt sich, dass das Netz ein dynamisches System ist, dessen Eigenschaften nur beschränkt durch bisherige, lineare Modelle beschrieben werden können. Insbesondere die Steifigkeit kann als dynamischer Parameter ausgemacht werden. Eine Reihe weiterer Parameter, wie z.B. die Energiedissipation werden quantifiziert. Im Anschluss wird ein erweitertes Modell entwickelt, dass die dynamischen Parameter berücksichtigt. Ein Vergleich mit den Messergebnissen zeigt die sehr gute Übereinstimmung des erweiterten, dynamischen Modells. Um weitere Details der Eigenschaften zu untersuchen, werden außerdem die viskoelastischen Materialeigenschaften in ein dynamisches Materialmodell aufgenommen. Ergebnis der Arbeit sind neue Kenntnisse über das System Spinnennetz, die die Erwartungen übertreffen. Zum Abschluss wird ein detaillierter Ausblick gegeben, um das Forschungsthema im breitem Umfang fortzusetzen. Die Arbeit präsentiert dazu mehrere Ansätze. / The work in hand presents basics, experimental techniques and new insights on the system spider web. The knowledge about this natural paragon is enhanced and remarkable properties are identified. Spider silk is an outstanding bio polymer that shows promising properties and exceeds conventional synthetic silks in many properties by far. It is a long desire of bionic and material science to use these abilities. Especially the capability of the silk to absorb relatively high kinetic energies is outstanding. New progress in the recombinant production is promising to produce it in the near future in great quantities. First an overview of the special properties of spider silks and the web is given. After that the necessary mathematical basis for the analysis of vibrations is worked out. Under this point the Shock Response Spectrum (SRS) and his calculation methods are explained. Based on different sources a standardized SRS is developed and implemented in a Matlab-script. In the experiments webs of the spider specie Argiope Argentata are used. For the measurements an experimental setup is developed and put in place to use projectiles to stimulate vibrations of the webs. The resulting vibrations are measured with laser interferometers. Using developed evaluation scripts the measurements are analysed in detail to identify and quantify properties. In addition the SRS is calculated. It is shown that the web is a dynamic system and the properties can only narrowly be described using previous linear models. Especially the stiffness is determined as a dynamic parameter, that depends on displacement and velocity. A series of additional parameters as for example the energy dissipation are quantified. Following an extended model is developed, which considers the dynamic parameters. A comparison with the measurements shows the excellent accordance of the extended dynamic model. To investigate other details of the properties the viscoelastic material properties are added to a dynamic material model. The result of the work is enhanced knowledge about the system spider web, which extends previous expectations. At the end a detailed outlook is given to continue the research topic in a broad scope. For this several approaches are presented. / Tesis

Wissenschaftliche Arbeiten zeigen einen Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz des Spinnennetzes, dessen Geometrie, dem Eigengewicht der Netzspinne und der äquivalenten Vorspannung. Hypothese dieser Masterarbeit ist, dass die Eigenfrequenz von Spinnennetzen konstant ist. Die vorliegende Masterarbeit zeigt jedoch, dass dies nur bedingt richtig ist. Wir belegen dies mit unseren Experimenten mit verschiedenen Individuen der Spinnenart Argiope Argentata durch Ermittlung derer Eigengewichte und der Eigenfrequenzen der erbauten Spinnennetze. Unsere Daten zeigen, dass die Webnetzspinne die Netzvorspannung nicht proportional zu ihrem Eigengewicht erhöht, so dass die Eigenfrequenz für verschiedene Netze nicht konstant bleibt. Es wird das Vorhandensein eines Eigenfrequenzbereichs vermutet, da ihr Gewicht und ihre Möglichkeiten zur Vorspannung in einem bestimmten Bereich liegen. Eigenfrequenzen von Spinnennetzen werden mit dem in dieser Arbeit erweiterten Schwingungsmodell und auf Basis verö entlichter Arbeiten berechnet. / Previous theoretical work links the natural frequency of a spiderweb to its geometry, the spider's weight, and the equivalent preloaded tension. A common assumption is that the natural frequency of spiderwebs created by a spider species is constant. However, our study proves that this is not necessarily true. More speci cally, there exists a range of natural frequency for spiderwebs from the same species, as the spider's weight, the geometry and the preloaded tension of a spider's type have a range. We conduct our experiments with di erent ArgiopeArgentata spiders by collecting the spiders' weight and the natural frequency of the webs. Our empirical data show that as the web spider weight increases, the preloaded tension does not increase proportionally and thus, the natural frequency does not remain constant for di erent webs. Natural frequencies are calculated with our adjusted model and published theoretical work. / Tesis

En la presente tesis se obtuvo las propiedades elásticas del adhesivo de la seda víscida producida por arañas de la especie Argiope Argentata. Las muestras de seda de esta especie se obtuvieron a partir de ejemplares capturados en las cercanías a los pantanos de Villa en el distrito de Chorrillos, estos ejemplares fueron criados en amplias cajas de cartón y alimentados con gusanos tenebrio molitor, la seda con el adhesivo para desarrollar los ensayos es obtenida de la tela tejida por la propia araña, debido a que este adhesivo sólo es depositado en los hilos circunferenciales de la telaraña. Para hallar el Módulo de Young o Módulo Elástico de este adhesivo, se realizaron ensayos de nanoindentación con un Microscopio de Fuerza Atómica o AFM por sus siglas en inglés. Al desarrollar este tipo de ensayo sobre un material blando como lo es un adhesivo, se busca obtener la deflexión de la viga en voladizo, o cantiléver (inglés), del AFM y la Fuerza de contacto entre el cantiléver y el adhesivo. Obtenemos la Deflexión y la Fuerza de contacto para cada punto del ensayo de nanoindentacion, entonces usamos el modelo de Hertz para superficies en contacto y aproximamos la relación obtenida al modelo teórico, así hallamos el módulo de elasticidad para cada punto del ensayo de nanoindentación sobre la muestra del adhesivo. Se obtuvieron un total de 208 módulos elásticos sobre las dos muestras obtenidas con mejor resolución del AFM. Los resultados del módulo de elasticidad hallados se encuentran en su mayoría en el rango de 20 y 100 KPa, adicionalmente y siguiendo el criterio de C. Dahlquist, tendríamos que el adhesivo de esta especie de araña es un adhesivo con muy buenas propiedades adherentes. No se encontró literatura sobre este procedimiento en otras especies de arañas, por lo cual comparamos los datos obtenidos con literatura encontrada de experimentos en adhesivos de insectos u otros sistemas biológicos. / Tesis

El siguiente documento trata sobre el diseño de un sistema mecatrónico de bajo costo para la producción de micro y nano fibras, haciendo uso del método de electro hilado. Este método recientemente ha tomado relevancia en el mundo académico debido a las novedosas y muy útiles aplicaciones que se han desarrollado con estos materiales nanométricos, tales como pliegues para la protección de heridas contra infecciones, filtros para gases y líquidos, entre otras aplicaciones. Si bien en el Perú, se han realizado algunos estudios para la producción de nanofibras, aún es escasa la investigación y en el caso del laboratorio de polímeros y bionanomateriales de la PUCP (Pontificia Universidad Católica del Perú) no se cuenta con un equipo que pueda procesar biopolímeros y convertirlos en nanofibras. Es por eso, que mediante este trabajo se quiere suplir la necesidad de este tipo de máquina y desarrollar el diseño de la misma tomando como referencia la metodología que comprende la norma VDI 2221. Según esta norma se han consultado documentos académicos para determinar a los principales subsistemas; asimismo, se ha recolectado información de los requerimientos que debería tener este equipo, según los usuarios que son los trabajadores del laboratorio. Como resultado se ha obtenido el diseño a detalle de una máquina que permite al usuario variar los principales parámetros de producción del método de electro hilado que son: la generación de alto voltaje, el caudal de la solución biopolimérica que se procesa, la distancia de la aguja eyectora con respecto al colector y la velocidad de rotación del cilindro colector de nano fibras. De esta manera se ha concluido el diseño del equipo que va permitir realizar el estudio de estos materiales nanométricos y posiblemente desarrollar aplicaciones para la industria, lo que a su vez va promover el desarrollo tecnológico del país.

En la presente tesis se obtuvo las propiedades elásticas del adhesivo de la seda víscida producida por arañas de la especie Argiope Argentata. Las muestras de seda de esta especie se obtuvieron a partir de ejemplares capturados en las cercanías a los pantanos de Villa en el distrito de Chorrillos, estos ejemplares fueron criados en amplias cajas de cartón y alimentados con gusanos tenebrio molitor, la seda con el adhesivo para desarrollar los ensayos es obtenida de la tela tejida por la propia araña, debido a que este adhesivo sólo es depositado en los hilos circunferenciales de la telaraña. Para hallar el Módulo de Young o Módulo Elástico de este adhesivo, se realizaron ensayos de nanoindentación con un Microscopio de Fuerza Atómica o AFM por sus siglas en inglés. Al desarrollar este tipo de ensayo sobre un material blando como lo es un adhesivo, se busca obtener la deflexión de la viga en voladizo, o cantiléver (inglés), del AFM y la Fuerza de contacto entre el cantiléver y el adhesivo. Obtenemos la Deflexión y la Fuerza de contacto para cada punto del ensayo de nanoindentacion, entonces usamos el modelo de Hertz para superficies en contacto y aproximamos la relación obtenida al modelo teórico, así hallamos el módulo de elasticidad para cada punto del ensayo de nanoindentación sobre la muestra del adhesivo. Se obtuvieron un total de 208 módulos elásticos sobre las dos muestras obtenidas con mejor resolución del AFM. Los resultados del módulo de elasticidad hallados se encuentran en su mayoría en el rango de 20 y 100 KPa, adicionalmente y siguiendo el criterio de C. Dahlquist, tendríamos que el adhesivo de esta especie de araña es un adhesivo con muy buenas propiedades adherentes. No se encontró literatura sobre este procedimiento en otras especies de arañas, por lo cual comparamos los datos obtenidos con literatura encontrada de experimentos en adhesivos de insectos u otros sistemas biológicos.

Wissenschaftliche Arbeiten zeigen einen Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz des Spinnennetzes, dessen Geometrie, dem Eigengewicht der Netzspinne und der äquivalenten Vorspannung. Hypothese dieser Masterarbeit ist, dass die Eigenfrequenz von Spinnennetzen konstant ist. Die vorliegende Masterarbeit zeigt jedoch, dass dies nur bedingt richtig ist. Wir belegen dies mit unseren Experimenten mit verschiedenen Individuen der Spinnenart Argiope Argentata durch Ermittlung derer Eigengewichte und der Eigenfrequenzen der erbauten Spinnennetze. Unsere Daten zeigen, dass die Webnetzspinne die Netzvorspannung nicht proportional zu ihrem Eigengewicht erhöht, so dass die Eigenfrequenz für verschiedene Netze nicht konstant bleibt. Es wird das Vorhandensein eines Eigenfrequenzbereichs vermutet, da ihr Gewicht und ihre Möglichkeiten zur Vorspannung in einem bestimmten Bereich liegen. Eigenfrequenzen von Spinnennetzen werden mit dem in dieser Arbeit erweiterten Schwingungsmodell und auf Basis verö entlichter Arbeiten berechnet. / Previous theoretical work links the natural frequency of a spiderweb to its geometry, the spider's weight, and the equivalent preloaded tension. A common assumption is that the natural frequency of spiderwebs created by a spider species is constant. However, our study proves that this is not necessarily true. More speci cally, there exists a range of natural frequency for spiderwebs from the same species, as the spider's weight, the geometry and the preloaded tension of a spider's type have a range. We conduct our experiments with di erent ArgiopeArgentata spiders by collecting the spiders' weight and the natural frequency of the webs. Our empirical data show that as the web spider weight increases, the preloaded tension does not increase proportionally and thus, the natural frequency does not remain constant for di erent webs. Natural frequencies are calculated with our adjusted model and published theoretical work. / Tesis

Die vorliegende Arbeit präsentiert Grundlagen, Versuchstechniken und neue Erkenntnisse des Systems Spinnennetz. Die bereits vorhandenen Kenntnisse über dieses Vorbild aus der Natur werden erweitert und bemerkenswerte Eigenschaften identifiziert. Spinnenseide ist ein herausragendes Biopolymer, dass herkömmliche synthetische Fasern in einer Reihe von Eigenschaften übertrifft. Der Bionik und Materialforschung ist es ein Anliegen diese Fähigkeiten zu nutzen. Besonders die Fähigkeiten der Seide zur Absorption kinetischer Energien stechen hervor. Neuste Fortschritte in der rekombinaten Herstellung versprechen, diesen Werkstoff in naher Zukunft in großen Mengen synthetisch herstellen zu können. Zu Beginn wird ein Überblick über die besonderen Eigenschaften von Spinnenseide und -netz, sowie den bisherigen Forschungsstand gegeben. Außerdem werden die notwendigen mathematischen Grundlagen zur Analyse von Schwingungen erarbeitet. Dabei wird außerdem das Shock Response Spectrum (SRS) und dessen Berechnungsmethoden erläutert. Anhand verschiedener Quellen wird ein standardisiertes SRS entworfen und in Form eines Matlab-Skriptes implementiert. Für die Versuche werden Netze der Spinnenart Argiope Argentata verwendet. Zur Vermessung wird ein Versuchsaufbau entworfen und aufgebaut, um die Netze mit Projektilen in Schwingung zu versetzen. Die resultierenden Schwingungen werden mit Interferometern aufgezeichnet. Mit einer Reihe von Auswertungsskripten werden die Messungen detailliert analysiert, um Eigenschaften zu identifizieren und zu quantifizieren. Außerdem wird das SRS des Netzes berechnet. Dabei zeigt sich, dass das Netz ein dynamisches System ist, dessen Eigenschaften nur beschränkt durch bisherige, lineare Modelle beschrieben werden können. Insbesondere die Steifigkeit kann als dynamischer Parameter ausgemacht werden. Eine Reihe weiterer Parameter, wie z.B. die Energiedissipation werden quantifiziert. Im Anschluss wird ein erweitertes Modell entwickelt, dass die dynamischen Parameter berücksichtigt. Ein Vergleich mit den Messergebnissen zeigt die sehr gute Übereinstimmung des erweiterten, dynamischen Modells. Um weitere Details der Eigenschaften zu untersuchen, werden außerdem die viskoelastischen Materialeigenschaften in ein dynamisches Materialmodell aufgenommen. Ergebnis der Arbeit sind neue Kenntnisse über das System Spinnennetz, die die Erwartungen übertreffen. Zum Abschluss wird ein detaillierter Ausblick gegeben, um das Forschungsthema im breitem Umfang fortzusetzen. Die Arbeit präsentiert dazu mehrere Ansätze. / The work in hand presents basics, experimental techniques and new insights on the system spider web. The knowledge about this natural paragon is enhanced and remarkable properties are identified. Spider silk is an outstanding bio polymer that shows promising properties and exceeds conventional synthetic silks in many properties by far. It is a long desire of bionic and material science to use these abilities. Especially the capability of the silk to absorb relatively high kinetic energies is outstanding. New progress in the recombinant production is promising to produce it in the near future in great quantities. First an overview of the special properties of spider silks and the web is given. After that the necessary mathematical basis for the analysis of vibrations is worked out. Under this point the Shock Response Spectrum (SRS) and his calculation methods are explained. Based on different sources a standardized SRS is developed and implemented in a Matlab-script. In the experiments webs of the spider specie Argiope Argentata are used. For the measurements an experimental setup is developed and put in place to use projectiles to stimulate vibrations of the webs. The resulting vibrations are measured with laser interferometers. Using developed evaluation scripts the measurements are analysed in detail to identify and quantify properties. In addition the SRS is calculated. It is shown that the web is a dynamic system and the properties can only narrowly be described using previous linear models. Especially the stiffness is determined as a dynamic parameter, that depends on displacement and velocity. A series of additional parameters as for example the energy dissipation are quantified. Following an extended model is developed, which considers the dynamic parameters. A comparison with the measurements shows the excellent accordance of the extended dynamic model. To investigate other details of the properties the viscoelastic material properties are added to a dynamic material model. The result of the work is enhanced knowledge about the system spider web, which extends previous expectations. At the end a detailed outlook is given to continue the research topic in a broad scope. For this several approaches are presented. / Tesis