The present work focuses on the test method for the investigation of combined journal-thrust bearings. In simple applications, radial or thrust bearings are separated physically and can be considered as stand-alone machine elements. These can each be dimensioned by established calculation models. In compact designs, combined bearings must be used due to space savings. In this case, the bearing parts are present as a unit in which the axial part is supplied with lubricant from the radial part. If the bearing parts are treated separately, the oil outlet temperature of the radial part can serve as the input variable for the axial part. In this case, both the coupled thermal conduction between the running surfaces through the material and the pressure interaction between the two bearing parts are neglected. The thermal coupling of the bearing parts leads to an overall higher thermal load. The pressure interaction affects the respective volume flow, which also has a significant influence on the respective bearing temperatures. The development and validation of a simulation program required accompanying extensive measurements on the real bearing. For this purpose, the development of a suitable test bench for applying a combined radial and axial load is to be presented in this paper. In addition, the measurement procedures will be discussed, such as the determination of pressure and temperature in the bearing surfaces and the transition areas between journal and thrust bearing parts. Finally, the temperature distribution between a pure radial load on a journal bearing and a combined load on the identical journal-thrust bearing will be compared using the example of an operating point.

Viele neue Technologien basieren auf Materialien die im Nanometerbereich strukturiert sind. Damit diese im großen Maßstab zur Anwendung gebracht werden können, werden Methoden benötigt solche nanostrukturierten Materialien kostengünstig zu produzieren. Magnetische Felder sind eine vielversprechende Möglichkeit die Anordnung von Nanostrukturen zu beeinflussen. In dieser Doktorarbeit wird eine Methode für die Herstellung magnetischer Nanostrukturen in Lösung präsentiert. Die Herstellungsmethode ist skalierbar und kostengünstig. Die synthetisierten Strukturen haben zufällige Formen und bewegen sich unter dem Einfluss eines externen rotierenden Magnetfelds im rechten Winkel zu der Ebene in der das Magnetfeld rotiert. Die dimensionslosen Geschwindigkeiten dieser zufällig geformten Propeller sind vergleichbar mit jenen früher publizierter helikaler Propeller. Das beobachtete Verhältnis zwischen Anregungsfrequenz und Propellergeschwindigkeit konnte mittels eines Drehmomentgleichgewichts verstanden werden. Dieses vertiefte Verständnis der Propellerbewegung ermöglichte eine theoretische Studie zur Kontrolle von Propellerschwärmen. Hierbei werden mehrere Propeller entlang frei wählbarer Bahnen gesteuert. Eine Kontrollstrategie wurde gefunden, welche die magnetische Feldstärke minimiert, die zum Erreichen einer vorgegebenen Genauigkeit nötig ist. Schließlich wurde das kollektive Verhalten von großen Mengen von magnetischen Propellern untersucht. Sowohl zufällig geformte als auch helikale Propeller bilden Zusammenballungen, die im dynamischen Gleichgewicht kreisförmig sind und langsam rotieren. Gleichförmig helikale Propeller ordnen sich in diesen Zusammenballungen hexagonal an. Der Vergleich zwischen Beobachtungen und Simulationen zeigte, dass hydrodynamische Interaktionen für die Bildung der Zusammenballungen nicht notwendig sind, aber dazu führen dass sich eine Randregion bildet, in der die Winkelgeschwindigkeit der Propeller erhöht ist. / New ways to cheaply produce and assemble useful micro- and nanostructures are needed to facilitate their deployment in novel technologies. Magnetic fields are a promising possibility to guide the assembly of nanostructures. This thesis presents a method to synthesize magnetic nanostructures in solution which can be actuated by external rotating magnetic fields. The synthesis method is scalable and can cheaply produce randomly shaped magnetic nanostructures in large quantities. The synthesized structures have random shapes and were observed to propel under the influence of an external magnetic field, perpendicular to the plane in which the external field is rotating. The random shapes move with dimensionless speeds that are comparable to those of previously published, nanofabricated propellers with controlled helical geometries. The observed relationship between actuating frequency and propulsion speed could be understood with a simple torque balance model. This improved understanding opened the door for a theoretical study on swarm control, i.e. the steering of several magnetic propellers along independent trajectories. A particular control strategy (critical control) was found, that minimizes the required magnetic field strength needed to achieve a certain control precision. Finally, the collective behavior of large numbers of propellers, moving upwards against gravity and towards a glass surface, was investigated. Both randomly shaped, as well as nanofabricated propellers were observed to form clusters which are circular and rotate slowly in dynamic equilibrium. The nanofabricated propellers displayed hexagonal ordering inside the clusters. Comparing the observed cluster dynamics to simulations revealed that hydrodynamic interactions between the propellers are not necessary for cluster formation, but lead to the formation of a boundary layer at the cluster edge, in which the angular velocity of the propellers is higher than in the rest of the rotating cluster.

Die vorliegende Arbeit verfolgte die Zielstellung der Substitution des etablierten Weißmetalls als Laufschicht von hydrodynamischen Mehrflächengleitlagern durch neuartige Kunststoffschichten. Dazu wurden vergleichende Bauteilversuche an Mehrflächengleitlagern mit verschiedenen Laufschichten und Bohrungsformen vorgenommen. Eine Zinnbasislegierung als Laufflächenbeschichtung diente dabei als Referenzwerkstoff. Zur Durchführung des Versuchsprogrammes kam ein vorhandener, messtechnisch neu konditionierter Turbinenlagerprüfstand zum Einsatz. Die Versuchsreihen haben durchweg positive Beurteilungen der Lagerkennwerte im untersuchten Betriebsbereich der neuen Lagervarianten ergeben. Die neuartigen Laufschichtvarianten erfüllten die hohen tribologischen und thermischen Anforderungen. Einzelne Abweichungen der ermittelten Kennwerte wurden zahlenmäßig dokumentiert und können mit bereits verfügbaren physikalischen Modellen beschrieben werden. Die Ergebnisse erwiesen sich als unabhängig von der Lagerbauform aber abhängig von der gewählten Schichtvariante. Die Untersuchungen zum Betriebsverhalten unter hydrodynamischer Dauerbelastung sowie im Mischreibungsgebiet und im Notlaufbetrieb führten zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Im Mischreibungsgebiet wiesen die untersuchten Lager kaum Unterschiede im Betriebsverhalten auf. Im Dauerversuch zeigten die Lager mit Weißmetall, Gleitlack und Keramikschicht hervorragende Eigenschaften. Die Variante Klüberplast besaß eine ungenügende Bindefestigkeit und führte zu plastischen Verformungen der Schicht infolge der hydrodynamischen Drücke. Im Notlaufbetrieb übertrafen die untersuchten Kunststoffvarianten die Standzeiten des Referenzwerkstoffs Weißmetall. / The aim of this study was to identify and test an alternative liner material instead of common liner materials such as white alloy for multi-lobe radial bearings. For this purpose comparative tests with different radial bearings were carried out. The white alloy material was taken as a reference. In preparation for these test series, the measurement system of the turbine bearing test rig was upgraded. Experiments showed beneficial performances of the bearings with a plastic liner by evaluating the static and dynamic properties of different bearing geometries and liner thicknesses under a wide range of operating conditions. The new bearings fulfilled the high tribological and thermal requirements. Observed deviations of the determined parameters were documented in number and can be described with available physical models. The results were independent of the bearing type and depending on the selected liner material variant. The studies on operating performance in continuous operation in the mixed friction area and in dry running operation led to partially different results. The mixed friction tests showed little difference in the examined stock performance. The bearings with white alloy, ceramic layer and bonded coating showed excellent fatigue properties of long-term experiment. On Klüberplast insufficient bonding strength and plastic deformation of the layer due to the hydrodynamic pressure was found. In the dry running operation the investigated polymers exceeded the lifetime of the referencematerial white alloy.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.

Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.

In this Doktorarbeit the Lattice Boltzmann scheme, a heuristic method for the simulation of flows in complicated boundaries, is investigated. Its theory is renewed by emphasizing the entropy maximization principle, and new means for the modelling of geometries (including moving boundaries) and the visual representation of evoluting flows are presented. An object oriented implemen- tation is given with communication between objects realized by an interpreter object and communication from outside realized via interprocess communica- tion. Within the new theoretical apprach the applicability of existing Lattice Boltzmann schemes to model thermal flows for arbitrary temperatures is reex- amined. / In dieser Doktorarbeit wird das Gitter-Boltzmann-Schema, eine heuristische Methode fuer die Simulation von Stroemungen innerhalb komplexer Raender, untersucht. Die zugrundeliegende Theorie wird unter neuen Gesichtspunkten, insbesondere dem Prinzip der Entropiemaximierung, betrachtet. Des weiteren werden neuartige Methoden fuer die Modellierung der Geometrie (einschl. beweglicher Raender) und der visuellen Darstellung aufgezeigt. Eine objektorientierte Implementierung wird vorgestellt, wobei die Kommunikation zwischen den Objekten über Interpreter-Objekte und die Kommunikation mit der Aussenwelt ueber Interprozess-Kommunikation gehandhabt wird. Mit dem neuen theoretischen Ansatz wird die Gueltigkeit bestehender Gitter-Boltzmann-Schemata fuer die Anwendung auf Stroemungen mit nicht konstanter Temperatur untersucht.

Denna studie handlar om den fartförlust och därmed den ökade energiförbrukningen som drabbar fartyg på grunt vatten. Syftet var att ta reda på hur mycket kortare en grund passage behöver vara för att den ska vara ett bättre alternativ än en lång och djup rutt med hänsyn till bränsleförbrukning och tidsåtgång. Resultatet av detta blev att det inte går att dra några generella slutsatser som gäller för alla fartygstyper men att det går att se tydliga tendenser. Studien hade även som målsättning att skapa ett underlag som skulle kunna användas av nautiker vid planering av resor, detta presenterades i form av en sammanställning av de resultat som erhållits vid beräkning av fartförlust i öppet vatten. Någon sammanställning gjordes inte för begränsat vatten eftersom exempelfartygen där fick likadana resultat vilket skulle ha gjort en sådan överflödig. Syftet uppnåddes genom användande av kvantitativa studier i form av matematiska beräkningsmetoder för att beräkna fartförlust, bränsleförbrukning och tidsåtgång för ett antal exempelfartyg. / This study concerns the speed loss and thereby the increased energy consumption which affects ships in shallow water. The aim of the study was to gain knowledge of how much shorter a shallow passage is required to be in order to be the better alternative compared to a long and deep route with regard to fuel and time consumption. The result was that it is not possible to draw any definitive conclusions which are applicable to all ship types, however, there are clear patterns. Moreover, the goal of the study was to aid mariners facing a choice between a long and deep route and a short and shallow route, this was done by creating a compilation of the results for speed loss in open water. Due to the results for confined waters being the same for all the ships in the study, no compilation was done for confined waters as it was deemed excessive. The aim of the study was achieved by quantitative research in the form of mathematical models to calculate speed loss, fuel consumption and time consumption for a number of fictitious ships.

The thesis is devoted to some aspects of the solid-state electronic transport in the so-called viscous or hydrodynamic regime. Hydrodynamic regime in this context means that due to the large carrier density and non-negligible carrier-carrier interactions, the transport properties follow from collective, rather than single-particle phenomena. To capture the dynamics of such a system one may use description based on the conserved quantities, i.e. momentum, energy or charge. If the interactions between the constituents of the system are strong enough, such a description is provided by the hydrodynamic equations which for conserved momentum and energy are the Navier-Stokes equations or their relativistic counterparts. This thesis focuses on such a situation: when the equations governing transport properties follow from conservation of the momentum or, at most, can be treated as a modification of such equations due to weak momentum relaxation. Presented here are two lines of investigation. The first one focuses on the mesoscopic effects, i.e. on the dependence of the outcome of the transport measurements on the physical parameters of the sample such as size and shape. Here also the effects of the weak momentum relaxation are studied. In the second one, the issue of parity and time reversal symmetry breaking, occurring in a 2 dimensional system due to the presence of an external magnetic field, is investigated. An effective model of a strongly coupled quantum system is introduced and used to compute the odd (Hall) viscosity -- a transport coefficient allowed once the discrete symmetries are broken -- as a function of magnetic field, temperature and chemical potential. The first part of results concerns the behaviour of the electronic fluid in a typical AC measurement -- modeled by an elongated channel in which the fluid is subject to a periodically time dependent electric potential. Assuming standard, no-slip boundary conditions, the spatial distribution of the current density is found to be much different to the one known for Ohmic conduction. For small frequency the current distribution has a parabolic profile across the channel, while for high frequency the current in the bulk of the channel becomes flat (position-independent), while two maxima terminating a so-called boundary layer develop. In these boundary layers large gradients of current can be found, contributing to high local entropy production due to the viscous force. Despite this differences in the local current density profile, when the global conductance is measured as a function of the frequency, the result much resembles the well known Drude curve, with a distinct maximum visible in the imaginary part of the AC conductance. There is, however, a global signature of the boundary layer formation -- the scaling of the conductance with the channel width, that changes from quadratic (for parabolic flow) to asymptotically constant (for a flow with boundary layers). Moreover, in the hydrodynamic regime, the position of the Drude peak is not only determined by microscopic parameter but again by a combination of microscopic (viscosity) and mesoscopic (width) parameters. Since the Drude peak occurs for experimentally feasible values of parameters, the mentioned mesoscopic dependence may be used to measure the value of viscosity coefficient. The results discussed above are obtained assuming, as is traditional for hydrodynamics on everyday length-scales, a no-slip boundary condition which forces the fluid to be immobile at the boundary. This boundary condition was also assumed in most of the previous works on the electronic hydrodynamics. However, this is not the only possibility. There exists a one-parameter family of consistent boundary conditions involving velocity and its derivative on the boundary, parametrized by a coefficient called the slip length. Recent theoretical and experimental publications suggest that it may be dependent on the state parameters of the system (i.e temperature, chemical potential) and its value may be relatively large for some experimental situations. One of the consequences of the slip length being large is that hydrodynamic effects are obscured in the simple AC set-up discussed before. In this work it is shown that by an appropriate micro-structuring of the boundary, the effects of slip can be suppressed. Once the array of defects is introduced on the edges of the sample, the no-slip behavior is restored for all the values of the microscopic slip length. Furthermore, the interplay between the microscopic slip length and the sample geometry is investigated and used to propose a simple device for measuring the dependence of the microscopic slip length on the state parameters such as the temperature or the chemical potential. The final part of this thesis is devoted to a different aspect of the hydrodynamic transport -- a computation of the value of hydrodynamic transport coefficients using a microscopic theory. The physical situation of interest is one in which time reversal and parity invariance of a 2-dimensional system are broken, due to the presence of an external magnetic field. In such a situation an unusual class of transport coefficients is allowed in the hydrodynamic description, so-called odd coefficients. The term comes from the fact that they encode response that is transverse to the applied perturbation. These odd coefficients for 2 dimensions were previously studied mostly at weak coupling, i.e. using descriptions based on quasi-particles. This work, however, presents the way of calculating them for strongly coupled model system. To achieve this a high-energy-physics-inspired framework of holographic duality (AdS/CFT) is used. In that approach, an effective model involving magnetically-sourced parity-breaking interactions is constructed for the system at finite temperature and chemical potential. Performing a linear response analysis around the thermal states in that model allows one to read off the transport coefficients, especially the odd (Hall) viscosity coefficient that is of central interest in this study. The mentioned Hall viscosity is found to be non-zero whenever the magnetic field is present, even for zero chemical potential. This is unusual, as odd viscosity is expected to only be non-zero for non-zero charge density states. The mechanism responsible for the presence of Hall viscosity in the discussed case turns out to be the following: charge density in the model is induced by either the chemical potential or the magnetic field, i.e. for non-zero magnetic field even at zero chemical potential some density of charge is present. This charge contributes to the Hall viscosity in the usual way. The odd viscosity coefficient is found to have different scaling behaviors for weak and strong magnetic field. Interestingly, it turns out that the computations of the Hall (and shear) viscosities are relatively straightforward and analytically tractable in the proposed model. This means that the results could be generalized to the zero-temperature case, which however is yet to be done. It also suggests that the model may capture some universal mechanisms of generating the odd viscosity due to the presence of the magnetic field. That intuition is backed by the fact that some of the effective models of quantum Hall states also predict similar mechanism in which charge density is induced by the presence of the magnetic field. Despite these similarities, further studies are needed to establish a solid connection between these systems. In particular, in the model under consideration no mechanism of quantization of the Hall viscosity is found, while the mentioned models of quantum Hall states predict quantization of that transport coefficient.

In this Doktorarbeit the Lattice Boltzmann scheme, a heuristic method for the simulation of flows in complicated boundaries, is investigated. Its theory is renewed by emphasizing the entropy maximization principle, and new means for the modelling of geometries (including moving boundaries) and the visual representation of evoluting flows are presented. An object oriented implemen- tation is given with communication between objects realized by an interpreter object and communication from outside realized via interprocess communica- tion. Within the new theoretical apprach the applicability of existing Lattice Boltzmann schemes to model thermal flows for arbitrary temperatures is reex- amined. / In dieser Doktorarbeit wird das Gitter-Boltzmann-Schema, eine heuristische Methode fuer die Simulation von Stroemungen innerhalb komplexer Raender, untersucht. Die zugrundeliegende Theorie wird unter neuen Gesichtspunkten, insbesondere dem Prinzip der Entropiemaximierung, betrachtet. Des weiteren werden neuartige Methoden fuer die Modellierung der Geometrie (einschl. beweglicher Raender) und der visuellen Darstellung aufgezeigt. Eine objektorientierte Implementierung wird vorgestellt, wobei die Kommunikation zwischen den Objekten über Interpreter-Objekte und die Kommunikation mit der Aussenwelt ueber Interprozess-Kommunikation gehandhabt wird. Mit dem neuen theoretischen Ansatz wird die Gueltigkeit bestehender Gitter-Boltzmann-Schemata fuer die Anwendung auf Stroemungen mit nicht konstanter Temperatur untersucht.

The present habilitation thesis in theoretical biological physics addresses two central dynamical processes in cells and organisms: (i) active motility and motility control and (ii) self-organized pattern formation. The unifying theme is the nonlinear dynamics of biological function and its robustness in the presence of strong fluctuations, structural variations, and external perturbations. We theoretically investigate motility control at the cellular scale, using cilia and flagella as ideal model system. Cilia and flagella are highly conserved slender cell appendages that exhibit spontaneous bending waves. This flagellar beat represents a prime example of a chemo-mechanical oscillator, which is driven by the collective dynamics of molecular motors inside the flagellar axoneme. We study the nonlinear dynamics of flagellar swimming, steering, and synchronization, which encompasses shape control of the flagellar beat by chemical signals and mechanical forces. Mechanical forces can synchronize collections of flagella to beat at a common frequency, despite active motor noise that tends to randomize flagellar synchrony. In Chapter 2, we present a new physical mechanism for flagellar synchronization by mechanical self-stabilization that applies to free-swimming flagellated cells. This new mechanism is independent of direct hydrodynamic interactions between flagella. Comparison with experimental data provided by experimental collaboration partners in the laboratory of J. Howard (Yale, New Haven) confirmed our new mechanism in the model organism of the unicellular green alga Chlamydomonas. Further, we characterize the beating flagellum as a noisy oscillator. Using a minimal model of collective motor dynamics, we argue that measured non-equilibrium fluctuations of the flagellar beat result from stochastic motor dynamics at the molecular scale. Noise and mechanical coupling are antagonists for flagellar synchronization. In addition to the control of the flagellar beat by mechanical forces, we study the control of the flagellar beat by chemical signals in the context of sperm chemotaxis. We characterize a fundamental paradigm for navigation in external concentration gradients that relies on active swimming along helical paths. In this helical chemotaxis, the direction of a spatial concentration gradient becomes encoded in the phase of an oscillatory chemical signal. Helical chemotaxis represents a distinct gradient-sensing strategy, which is different from bacterial chemotaxis. Helical chemotaxis is employed, for example, by sperm cells from marine invertebrates with external fertilization. We present a theory of sensorimotor control, which combines hydrodynamic simulations of chiral flagellar swimming with a dynamic regulation of flagellar beat shape in response to chemical signals perceived by the cell. Our theory is compared to three-dimensional tracking experiments of sperm chemotaxis performed by the laboratory of U. B. Kaupp (CAESAR, Bonn). In addition to motility control, we investigate in Chapter 3 self-organized pattern formation in two selected biological systems at the cell and organism scale, respectively. On the cellular scale, we present a minimal physical mechanism for the spontaneous self-assembly of periodic cytoskeletal patterns, as observed in myofibrils in striated muscle cells. This minimal mechanism relies on the interplay of a passive coarsening process of crosslinked actin clusters and active cytoskeletal forces. This mechanism of cytoskeletal pattern formation exemplifies how local interactions can generate large-scale spatial order in active systems. On the organism scale, we present an extension of Turing’s framework for self-organized pattern formation that is capable of a proportionate scaling of steady-state patterns with system size. This new mechanism does not require any pre-pattering clues and can restore proportional patterns in regeneration scenarios. We analytically derive the hierarchy of steady-state patterns and analyze their stability and basins of attraction. We demonstrate that this scaling mechanism is structurally robust. Applications to the growth and regeneration dynamics in flatworms are discussed (experiments by J. Rink, MPI CBG, Dresden). / Das Thema der vorliegenden Habilitationsschrift in Theoretischer Biologischer Physik ist die nichtlineare Dynamik funktionaler biologischer Systeme und deren Robustheit gegenüber Fluktuationen und äußeren Störungen. Wir entwickeln hierzu theoretische Beschreibungen für zwei grundlegende biologische Prozesse: (i) die zell-autonome Kontrolle aktiver Bewegung, sowie (ii) selbstorganisierte Musterbildung in Zellen und Organismen. In Kapitel 2, untersuchen wir Bewegungskontrolle auf zellulärer Ebene am Modelsystem von Zilien und Geißeln. Spontane Biegewellen dieser dünnen Zellfortsätze ermöglichen es eukaryotischen Zellen, in einer Flüssigkeit zu schwimmen. Wir beschreiben einen neuen physikalischen Mechanismus für die Synchronisation zweier schlagender Geißeln, unabhängig von direkten hydrodynamischen Wechselwirkungen. Der Vergleich mit experimentellen Daten, zur Verfügung gestellt von unseren experimentellen Kooperationspartnern im Labor von J. Howard (Yale, New Haven), bestätigt diesen neuen Mechanismus im Modellorganismus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas. Der Gegenspieler dieser Synchronisation durch mechanische Kopplung sind Fluktuationen. Wir bestimmen erstmals Nichtgleichgewichts-Fluktuationen des Geißel-Schlags direkt, wofür wir eine neue Analyse-Methode der Grenzzykel-Rekonstruktion entwickeln. Die von uns gemessenen Fluktuationen entstehen mutmaßlich durch die stochastische Dynamik molekularen Motoren im Innern der Geißeln, welche auch den Geißelschlag antreiben. Um die statistische Physik dieser Nichtgleichgewichts-Fluktuationen zu verstehen, entwickeln wir eine analytische Theorie der Fluktuationen in einem minimalen Modell kollektiver Motor-Dynamik. Zusätzlich zur Regulation des Geißelschlags durch mechanische Kräfte untersuchen wir dessen Regulation durch chemische Signale am Modell der Chemotaxis von Spermien-Zellen. Dabei charakterisieren wir einen grundlegenden Mechanismus für die Navigation in externen Konzentrationsgradienten. Dieser Mechanismus beruht auf dem aktiven Schwimmen entlang von Spiralbahnen, wodurch ein räumlicher Konzentrationsgradient in der Phase eines oszillierenden chemischen Signals kodiert wird. Dieser Chemotaxis-Mechanismus unterscheidet sich grundlegend vom bekannten Chemotaxis-Mechanismus von Bakterien. Wir entwickeln eine Theorie der senso-motorischen Steuerung des Geißelschlags während der Spermien-Chemotaxis. Vorhersagen dieser Theorie werden durch Experimente der Gruppe von U.B. Kaupp (CAESAR, Bonn) quantitativ bestätigt. In Kapitel 3, untersuchen wir selbstorganisierte Strukturbildung in zwei ausgewählten biologischen Systemen. Auf zellulärer Ebene schlagen wir einen einfachen physikalischen Mechanismus vor für die spontane Selbstorganisation von periodischen Zellskelett-Strukturen, wie sie sich z.B. in den Myofibrillen gestreifter Muskelzellen finden. Dieser Mechanismus zeigt exemplarisch auf, wie allein durch lokale Wechselwirkungen räumliche Ordnung auf größeren Längenskalen in einem Nichtgleichgewichtssystem entstehen kann. Auf der Ebene des Organismus stellen wir eine Erweiterung der Turingschen Theorie für selbstorganisierte Musterbildung vor. Wir beschreiben eine neue Klasse von Musterbildungssystemen, welche selbst-organisierte Muster erzeugt, die mit der Systemgröße skalieren. Dieser neue Mechanismus erfordert weder eine vorgegebene Kompartimentalisierung des Systems noch spezielle Randbedingungen. Insbesondere kann dieser Mechanismus proportionale Muster wiederherstellen, wenn Teile des Systems amputiert werden. Wir bestimmen analytisch die Hierarchie aller stationären Muster und analysieren deren Stabilität und Einzugsgebiete. Damit können wir zeigen, dass dieser Skalierungs-Mechanismus strukturell robust ist bezüglich Variationen von Parametern und sogar funktionalen Beziehungen zwischen dynamischen Variablen. Zusammen mit Kollaborationspartnern im Labor von J. Rink (MPI CBG, Dresden) diskutieren wir Anwendungen auf das Wachstum von Plattwürmern und deren Regeneration in Amputations-Experimenten.