SEDM TAJEMSTVÍ PTAČÍHO LETU

KONSTRUKCE KŘÍDLA Křídlo jako mávající část ptačího těla se může mírně otáčet a při pohybu křídla nahoru a dolů získává tvar listu vrtule. Blíže k tělu – malá odbočka. Dále od těla se rozpětí křídel zvětšuje. Přední část křídla, tužší a vícevrstvá díky skeletu křídla, krytům a vztlakovým klapkám, je při vztlakových klapkách před jednovrstvými letkami. Tyto ohyby křídel, jako ventilátor, tlačí vzduch dozadu – a pták se pohybuje dopředu. Navíc u ptáků s velkou amplitudou mávání, když se křídla nad a pod ptákem spojí, je vzduch nucený dozadu. Pružnost křídla, která umožňuje kroucení křídel při mávání v příčném a podélném směru jako listy vrtule, je jedním z hlavních tajemství ptačího letu. KŘIVKA KŘÍDLA V PŘÍČNÉM ŘEZU VE TVARU KŘÍDLA V průběhu evoluce nabyla křídla, pokrývající ptačí tělo, zakřivený tvar – podle tvaru těla, který ovlivňoval vztlakovou sílu křídla při horizontálním klouzání. Kryty (elytra) vytvářejí konvexnost křídla shora. Péřové peří (vycpávky křídel) mírně vyhlazuje spodní stranu křídla. Proto je rychlost pohybu vzduchu nad křídlem větší než pod křídlem, což vytváří vztlak. PTAČÍ TĚLO VE TVARU VEJCE, které směruje proudění vzduchu máváním křídel dozadu. ZAHNUTÍ KŘÍDLA NAHORU VE FORMÁTU SKOŘÁPKY (s větší konvexitou ve vzdálenosti 0,26 délky křídla od těla ptáka), usměrňující proudění vzduchu z hlavních letek 2. a 3. řádu a z vějířovitých peří 1. řádu dozadu. HORNÍ KRYCÍ PEŘÍ (potahy křídel) A SPODNÍ PEŘÍ (potahy křídel). Při klapání křídel nahoru jsou elytra setrvačností přitlačovány k letkám, stlačujíce vzduch dozadu, a spodní křídla, rovněž setrvačností, se svými konci vzdalují od letek a nasávají vzduch do vzniklého prostoru. Při sklopení křídla je vše naopak. Elytra vyčnívají z letek a nasávají vzduch. Blatníky tlačí vzduch dozadu. Výsledkem je čerpadlo, které pumpuje vzduch z křídla dozadu. MAXIMÁLNÍ OTEVŘENÍ KŘÍDLA (pro malé ptactvo), kdy vzdálenější okraj křídla vyčnívá daleko dopředu, čímž se zvětšuje plocha křídla, jeho vztlak při vzletu a také se zvyšuje odpor vzduchu při přistání. Zhutnění VZDUCHOVÉ PODPĚRY POD KŘÍDLEM PTAKA PŘI KLAPÁNÍ NAHORU K tomu dochází díky uspořádání letek ve tvaru lopatky, kdy některá peří jdou pod jiná ve směru k tělu ptáka (u velkých ptáků). Když jsou křídla mávnutá nahoru, naklonění letek vytváří proudění vzduchu pohybujícího se směrem k tělu ptáka a zpět – částečně od ohybu letek a hlavně od skrytých peří. Pod křídlem vzniká podtlak, do kterého proudí vzduch. Rychlost vzduchu se zvyšuje od těla ptáka ke vzdálenému konci křídel. Dva protilehlé proudy, které se zvednou za křídlem a na své cestě narazí na překážku v podobě ptačího těla, vytvoří vír (nebo malé „tornádo“): vynikající opora pro křídlo při mávání křídlem dolů. * * * Zajímavá otázka: jaká je maximální rychlost, kterou mohou velcí ptáci mávat křídly? Podle mých experimentálních dat získaných na modelu se při určitém nárůstu mávání křídel tkanina obrazovky dále nezvedá, ale naopak klesá níže. Z toho plyne závěr: ptáci cítí, když se při zvedání křídel vzduch pod křídlem stlačuje v optimální vzdálenosti od křídla, což jim umožňuje plynulý, vlnitý úder křídla na něj. Při rychlejším zdvihu je vzduch pod křídlem řidší, což znamená, že křídlo bude mít zvýšený chod (snížení) bez podpory zhutněným vzduchem, což vede ke ztrátě rychlosti, většímu zatížení křídla od dopadu na zhutněný vzduch ve větší vzdálenosti od křídla. Co vysvětluje relativně větší rychlost některých ptáků ve srovnání s jinými ptáky? Zhutněný vzduch pod křídlem se pak „válí“ po šířce a délce křídla. To znamená, že většina křídla se podílí na odrážení. Přirovnejme to k rybě, která se pohybuje vrtěním celého těla, na rozdíl od ryby, která se pohybuje pouze pomocí ploutví. V druhém případě se pohybuje pomaleji. Swift má například vyšší rychlost, protože jeho křídla jsou umístěna téměř rovnoběžně s tělem, což zvyšuje průchod vlny zhutněného vzduchu pod křídlem. Orlí křídla jsou široká a dlouhá. Vlna zhutněného vzduchu má větší plochu a větší chod pod křídlem. To vysvětluje vysokou rychlost a vysokou nosnost orla. * * * Při práci na křídle ornitoptéry jsem objevil malé tajemství rychlosti letu ptáků. Ohyby křídla a peří by měly být minimální, aby byl zpětný tlak vzduchu maximální. To je zajištěno pružně-tuhými strukturami křídla: kostra křídla, dříky peří a chlupy křídel. To je velmi důležité, protože zajišťuje plasticitu pohybu a minimální zatížení prvků křídla. To zajišťuje vlnovitý pohyb křídla a vzduch sklouzává z roviny křídla spíše než padá dolů s větším náklonem křídla a peří. Analogy jevu zhušťování vzduchu pod zakřiveným povrchem s prudkými výkyvy nahoru a dolů lze nazvat setřásáním prachu z prostěradel nebo koberců dvěma hospodyňkami nebo efektem petardy. U ptáků dochází ke zhutňování vzduchu pod křídlem složitějším způsobem, s vířením, které vytváří hustší „polštář“ vzduchu. Když velcí ptáci mávnou křídly dolů, lopatky letek se uzavřou a vzduch nahromaděný pod křídlem najde výstup dozadu – z ohybových letek 2. a 3. řádu a ve vějíři se rozbíhá dozadu – od ohybových letek 1. řádu. Vlnovitě zrychlený pohyb vzduchu z pohybu letek prvního řádu – jako nejsilnějšího – usnadňuje let ptáků, kteří letí za sebou pod určitým úhlem k ptákům letícím vpředu. V tomto případě pták letící za ním využívá přilétající vzdušnou vlnu, což usnadňuje vyčerpávající mávání křídly při dlouhých letech (podobně jako při startu proti větru). Odtud pochází klínový let jeřábů a dalších stěhovavých ptáků. * * * Práce na vynálezu ornitoptéry nám umožňuje tvrdit, že pouze studium tajů ptačího letu a jejich úspěšné využití může pomoci zkonstruovat létající stroj pro individuální let člověka s využitím svalové trakce. Jestli někdy budeme létat, bude to jedině napodobováním ptáků! Vasilij Ivanovič Vasiliev (narozen 04.03.1935) je konstruktér a vynálezce, v současné době pracuje na vytvoření modelu fly-by-wire (svalového letadla).

Aby dosáhli nadvlády na obloze, prošli ptáci velmi dlouhou evoluční cestou. Jejich stavba těla, svaly, kosti a opeření – to vše hraje důležitou roli při letu. Lidstvo, které chtělo dobýt nebe a inspirováno ptáky, začalo vytvářet různá zařízení, která do té či oné míry napodobovala určité fyziologické vlastnosti opeřených letců. Křídla, ocas, dokonce i nos moderního letadla jsou navrženy s ohledem na fyzikální zákony a ptáky, kteří tyto zákony využívají ve svůj prospěch. Mezi, řekněme, havranem a letadlem je však mnoho strukturálních rozdílů. Za prvé, letadlo nemá ocasní plochu a za druhé, letadla nemávají křídly, což je dobrá zpráva. Vědci z Lund University (Švédsko) se však rozhodli zaměřit se na pohyblivost křídel, aby zjistili, jak konkrétní poloha křídla ovlivňuje efektivitu letu. Co vědci objevili a jak to může ovlivnit robotiku? Odpovědi na tyto otázky najdeme ve zprávě vědců.

Výzkumná základna

Nebe už dávno přestalo být člověku cizí, ale je těžké označit náš druh za dominantní na obloze. Letadla, vrtulníky, drony, létající roboti různých konstrukcí už nepřekvapí, ale jejich funkčnost a účinnost se nedají srovnávat se skutečnými vládci nebes – ptáky. Studium ptáků a jejich schopnosti létat probíhá po staletí, ale složitá kinematika a aerodynamika jejich letu stále vyvolává mnoho otázek.

V posledních letech byla aerodynamika letu ptáků studována pomocí pokročilých technik, jako je vysokorychlostní 3D kinematika a částicová velocimetrie (PIV). velocimetrie obrazu částic), což zlepšilo naše znalosti o přirozeném letu. Výcvik ptáků pro práci v laboratorních podmínkách však zabere hodně času. Kromě toho ptáci nemohou být nuceni pohybovat křídly nad rámec jejich přirozeného rozsahu pohybu. Toto omezení znemožňuje systematicky studovat alternativní kinematiku křídla, jako je různé mávání, kroucení a skládání, které ovlivňují aerodynamický výkon. Je však nutné jít nad rámec přirozených pohybů, abychom pochopili, proč ptáci pohybují křídly tak, jak to dělají, a abychom lépe porozuměli vlivu různých kinematických parametrů na efektivitu letu. Alternativní metodou pro studium těchto problémů by mohl být teoretický výzkum, který však také poskytuje extrémně omezená data.

V oblasti robotiky je v současné době velmi málo robotů, které se používají ke studiu vztahu mezi kinematikou a aerodynamickým výkonem při letu s máváním. Důraz byl kladen na malé hmyzí systémy s plochými, neskládacími křídly a vysokou frekvencí mávání, stejně jako na robotické netopýry s pružnými membránovými křídly. Několik robotů používaných ke studiu letu máváním ptáků má ve srovnání s ptáky velmi zjednodušenou geometrii křídel a/nebo snížené kinematické schopnosti. Křídla „robotích ptáků“ jsou buď podobná křídlům netopýrů (struktura membrány), nebo nemají schopnost se skládat. Jinými slovy, robotická křídla se nemohou srovnávat s ptačími, pokud jde o pohyblivost, která hraje při letu za určitých podmínek důležitou roli.

Obrázek č. 1

V práci, kterou dnes zvažujeme, se vědci rozhodli charakterizovat biohybridní robotické mávající křídlo schopné nezávislého a současného mávání, naklánění a skládání, jakož i mávání v různých úhlech (1A). Toto zařízení umožnilo vědcům ovládat klíčové kinematické parametry, které ptáci používají k přizpůsobení aerodynamickým silám.

Systém je vybaven přírodním peřím a poskytuje výrazně větší kinematickou složitost a aerodynamické ovládání než předchozí roboty inspirované ptáky, ať už létají volně nebo jsou namontovány v aerodynamických tunelech.

Výsledky výzkumu

Zkoumaný robot se skládá z vyměnitelného biohybridního křídla (1C и 1D), vytvořený podle modelu kavky (Corvus monedula, 1E), a hnací mechanismus pro ovládání pohybu (1B). Vnitřní křídlo se skládá z paralelního mechanismu pěti umělých kostí (b1–b5 na 1C), které lze složit v jedné rovině. Aerodynamickou plochu tvoří 19 letek kavky (primární a sekundární; 1D) a umělé desky, které napodobují skryté peří a obsahují paralelní mechanismus používaný ke skládání křídel. Peří jsou pevně přilepena ke kostem b4 a b3 a přikrývky ke kostem b4, b2 a b1. Stejně jako jeho ptačí protějšek má otevřené křídlo délku 0.33 m a poměr stran 5.1 (1E, tabulka č. 1).

Pohon tvoří diferenciální převodovka (1F), poháněné dvěma vestavěnými servomotory pro mávání a naklánění křídel (1G), a samostatný digitální servomotor pro skládání křídel (1H). Tento hnací mechanismus poskytuje jakoukoli kombinaci mávání, naklánění a skládání křídel v rámci specifikací robota (tabulka 1).

Robot byl připevněn ke stěně aerodynamického tunelu pomocí otočné montážní desky (1B), kterou lze použít ke změně úhlu pojezdové roviny robota (0–40°; 1A).

Obrázek č. 2

Vědci hodnotili úhlovou přesnost křídla porovnáním požadovaného a skutečného pohybu pomocí optického systému pro zachycení pohybu. Bylo provedeno několik experimentů s máváním, nakláněním nebo skládáním (nahoře 2A–2C). Byly použity cyklické frekvence 1, 3 a 5 Hz a rychlosti větru 0 a 8 m/s. Pro každý experiment bylo hodnoceno osm úplných cyklů (n = 8). Výsledky pro experimenty při 0 m/s jsou uvedeny níže.

Úhel výkyvu robota vzhledem k času (2A) vykazovaly vynikající shodu s požadovanou trajektorií při 1 Hz. Dochází však k rostoucímu překmitu (překročení zadané hodnoty v bodech obratu cyklického pohybu) s nárůstem frekvence výkyvů až o 9 % při frekvenci 5 Hz.

Při sledování úhlu sklonu existuje dobrá shoda mezi požadovaným a skutečným úhlem v průběhu času na všech frekvencích (2B). Při skládání křídla však byl pozorován počáteční přebytek vzhledem k požadovaným úhlům, dokud nebylo dosaženo požadovaného úhlu skládání (2C).

Výsledky všech výše uvedených experimentů byly téměř totožné s výsledky získanými během experimentů při rychlosti větru 8 m/s. Všechny experimenty vykazují malou (<2%) standardní odchylku v maximální amplitudě mezi cykly (n = 8), což ukazuje na dobrou opakovatelnost pohybů křídla.

Obrázek č. 3

Při normálním mávajícím letu ptáci složí svá křídla během zdvihu nahoru a roztáhnou je během zdvihu dolů, čímž přizpůsobí úhel křídla (a tedy úhel náběhu*; 4A) k řízení aerodynamických sil.

Úhel náběhu* — úhel mezi směrem vektoru rychlosti proudění (kapaliny nebo plynu) dopadajícího na těleso a charakteristickým podélným směrem.

Pro porovnání aerodynamických charakteristik zdvihu skládání křídla (síly a hustota výkonu určené pomocí stereo PIV; obrázek 3) byly testovány tři různé scénáře skládání:

• křídlo je složené v celém zdvihu;
• křídlo je narovnáno v celém zdvihu;
• křídlo se při pohybu nahoru složí a při pohybu dolů se narovná (dále jen „normální“ konfigurace) (4C).

Údery křídel byly prováděny se sinusovým pohybem (minimální amplituda: 57.5°; maximální amplituda: 27.5°; 5C), úhel výkyvu 0° (4C), frekvence mávání byla 4 Hz a rychlost proudění v aerodynamickém tunelu byla 8 m/s.

Obrázek č. 4

Při porovnání tří scénářů skládání bylo zjištěno, že kontinuálně vysunuté křídlo vedlo k nejvyššímu koeficientu výkonu (vektorový součet vztlaku a tahu, 4B; červené značky a linka na 4D) ve srovnání s normální pozicí křídla (modré značky a čára na 4D) a trvale složené křídlo (žluté značky a linka na 4D).

Poměr tahu ke zdvihu byl nejvyšší pro normální konfiguraci (modré značky a čára na 4E) ve srovnání s oběma dalšími scénáři. To znamená, že ze tří scénářů skládání vytváří největší sílu vpřed.

Specifická síla (síla potřebná k vytvoření daného množství užitečné síly) byla nejnižší pro složené křídlo a nejvyšší pro prodloužené křídlo (červené značky a čára na 4F).

Video jednoho z experimentů.

Tyto výsledky ukazují, že ptáci, kteří složí svá křídla během zdvihu, nejen generují větší tah, ale mají také účinnější generování síly ve srovnání s těmi, kteří mají křídla roztažená během zdvihu.

Porovnání různých úhlů během pohybu nahoru ukázalo, že bez ohledu na scénář skládání vede zvětšení úhlu ke zvýšení koeficientu užitečné síly a relativnímu snížení tahu (4D и 4E). Specifický výkon byl ve tvaru U vzhledem ke koeficientu užitečné síly s minimem blízkým úhlu náběhu 7° (4F). To naznačuje, že je to právě tento úhel (malý, ale ne negativní), který umožňuje ptákům dosáhnout nejvyšší letové efektivity.

Obrázek č. 5

Úhel mávající roviny se mění v závislosti na rychlosti letu ptáka, což může ovlivnit velikost užitečné síly, její směr a náklady na její vytvoření. Aby vědci otestovali, jak úhel mávající roviny ovlivňuje aerodynamické síly a výkon, provedli druhý experiment, ve kterém určovali síly a výkon pomocí normální konfigurace skládání při změně rychlosti letu (od 6 do 10 m/s v krocích po 1 m/s) a úhlu roviny mávání (0° a 20°).

Zvětšením úhlu kyvné roviny se zvýšil koeficient užitečné síly (5B) a snížil poměr tahu a zdvihu (5C) ve srovnání se svislou rovinou švihu. Naklánění roviny tedy vede k relativně větší síle, ale snižuje relativní množství vytvářeného tahu. Měrný výkon jako funkce součinitele síly byl mírně vyšší, když se úhel sklonu roviny zvětšil, než když se rovina naklonila vertikálně (5D). To ukazuje na pokles aerodynamické účinnosti s rostoucím úhlem klapání.

Náklon houpací roviny (světelné značky a čáry zapnuté 5D) a použití záporného úhlu náběhu při pohybu nahoru vedlo ke snížení specifické síly při nízkých, ale ne při vysokých rychlostech (modré značky a čáry na 5D; žluté značky a čáry na 5D). Na druhou stranu naklonění roviny mávání a použití kladného úhlu náběhu směrem nahoru zvýšilo měrnou sílu, přičemž nárůst byl patrnější při vysokých rychlostech než při nízkých.

Obrázek č. 6

Vědci poznamenávají, že cirkulace v aerodynamice popisuje vnímanou rotaci vzduchu pohybujícího se kolem křídla, což vytváří vztlak.

Aby bylo dosaženo konstantní cirkulace během celého cyklu mávání, vědci měnili úhel náběhu křídla (tj. 4B), aby odpovídaly změnám rychlosti vzduchu nad křídlem během mávání a průměrné délce tětivy během pohybu nahoru a dolů, za předpokladu, že cirkulace je úměrná všem třem faktorům.

Výhodou konstantní cirkulace ve srovnání s dříve testovanou strategií je rovnoměrnější proudění dolů po celém zdvihu křídla, což má za následek relativně nízký indukovaný výkon (náklady na generování vztlaku).

Při aplikaci konstantní cirkulace byl zjištěn pokles součinitele vztlaku a součinitele odporu vzduchu s rostoucí rychlostí proudění vzduchu (6A и 6B). Při nízkých rychlostech náklon roviny pojezdu zvyšuje vztlak a mírně snižuje odpor, zatímco při vysokých rychlostech snižuje vztlak a zvyšuje odpor. Ptáci mohou přirozeně používat nakloněnou rovinu při nízkých rychlostech (kdy je generování vztlaku obtížné) k vytvoření většího vztlaku a vodorovnou rovinu při vysokých rychlostech ke snížení odporu (a zvýšení tahu).

Specifický zdvih sledoval vzor ve tvaru U při testovaných rychlostech, přičemž křivka pro nakloněnou rovinu byla vždy nižší než pro svislou rovinu. Tyto výsledky naznačují, že ptáci generují síly méně efektivně při vyšších rychlostech letu s vertikálními mávajícími rovinami, aby splnili vyšší požadavky na tah, než při nižších letových rychlostech se šikmými mávajícími rovinami, aby splnili vyšší požadavky na vztlak.

Porovnáním měření konstantní cirkulace s předchozím experimentem (obrázek 4) vědci zjistili, že konstantní cirkulace (6A и 6B) výrazně zvyšuje koeficienty vztlaku a odporu (6D и 6E). Navíc je specifický vztlak ve stejném rozsahu nebo dokonce nižší (tj. při nízké rychlosti s nakloněnou rovinou mávání) než v předchozím případě s kladným úhlem náběhu (6C и 6F). Tyto údaje naznačují, že strategie konstantní cirkulace může být výhodná při nižších rychlostech, protože generuje větší zdvih při vyšší účinnosti.

Pro podrobnější pochopení nuancí studie doporučuji nahlédnout do zprávy vědců.

Epilog

V práci, kterou jsme dnes recenzovali, se vědci rozhodli prostudovat, jak skládání a narovnávání jejich křídel pomáhá ptákům dosahovat vysoké letové efektivity.

K tomuto účelu byl vytvořen unikátní mechanismus skládající se z umělých i přírodních částí, a to přírodních kavky peří. Stojí za zmínku, že při studiu aerodynamických charakteristik ptačích křídel nestačí pouze simulovat geometrii křídla, je třeba vzít v úvahu také důležitost opeření.

Vědci poznamenávají, že jejich výtvor by mohl být mnohem užitečnější pro studium ptačího letu než ptáci sami. Zní to zvláštně, ale aby bylo možné stanovit rozsah schopností jakéhokoli systému, je nutné jej otestovat pomocí parametrů, které jdou do extrémů. Jinými slovy, ptáka nelze přimět, aby mával jako robotické křídlo.

Díky praktickým testům byli vědci schopni pochopit, proč za určitých podmínek ptáci během letu skládají nebo narovnávají křídla. Nasbíraná data budou zajímat nejen ornitology, ale také robotiky, kteří plánují vytvořit létající roboty s pohyblivými křídly.

Trochu reklamy

Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět další zajímavé materiály? Podpořte nás zadáním objednávky nebo doporučením přátelům, cloudové VPS pro vývojáře od 4.99 $, jedinečný analog serverů základní úrovně, který jsme pro vás vymysleli: Celá pravda o VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 jader) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps od 19 USD aneb jak správně sdílet server? (možnosti dostupné s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).

Dell R730xd je 2krát levnější v datovém centru Maincubes Tier IV v Amsterdamu? Pouze zde 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV od 199 $ v Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Přečtěte si o tématu Jak vybudovat podnikovou infrastrukturu. třídy pomocí serverů Dell R730xd E5-2650 v4, které stojí 9000 XNUMX eur za haléře?

• Blog společnosti ua-hosting.company
• Biologie
• Populární věda
• Vývoj robotiky
• Fyzika