Hvorfor elasticitet er nøglen til flagrende flyvning

Klap med armene et stykke tid, og du vil hurtigt bemærke, at den konstante cyklus af acceleration og deceleration kræver og endda spilder enorme mængder energi. Og alligevel for fugle er vingeklap et yderst effektivt fremdriftsmiddel. Et spørgsmål, der stadig undrer aerodynamikere, er, hvordan fugle er i stand til at minimere de energiomkostninger, der er involveret i flyvningen, mens de genererer nyttige aerodynamiske kræfter.

Ingeniører har længe indset, at elasticiteten af ​​en flagrende vinge er en del af svaret, men har ikke meget mere end håndviftede argumenter for at forklare hvorfor. Tankegangen er, at vingen lagrer elastisk potentiel energi, når den bøjes og senere frigiver den i en gunstig del af flagrende cyklus. Men fraværet af gode eksperimentelle beviser til at kvantificere denne proces betyder, at forståelsen stadig er skitseagtig.

Et problem er vanskeligheden ved at studere det komplekse samspil mellem flaksende maskiner og luft. Forskellige eksperimenter har målt de kræfter, som en vinge oplever, når den klapper i luftstrømmen, der genereres i en vindtunnel. Men dette er en meget kunstig situation, hvor luftens bevægelse er fuldstændig adskilt fra vingens flagrende bevægelse. Det synes klart, at i virkelig flyvning er arten af ​​samspillet mellem vingen og luften afgørende, og alligevel har ingen undersøgt dette i detaljer.

Indtil i dag. Benjamin Thiria og Ramiro Godoy-Diana ved Université Denis Diderot i Paris byggede en selvkørende blafrende vinge og studerede de kræfter, der virker, når den bevæger sig gennem luften, og hvordan dette deformerer vingen, som er fastgjort til en karusell, så den går rundt i cirkler, mens den klapper (se ovenfor).

Resultaterne giver et vigtigt indblik i mekanikken ved flagrende flyvning. De siger: virkningen af ​​vingefleksibilitet på effektiviteten af ​​blafrende flyers kan opfattes som en to-trins proces: et solidt mekanikproblem, hvor balancen mellem inerti og elastiske kræfter bestemmer den øjeblikkelige form af de fleksible vinger, efterfulgt af en væskedynamikproblem, hvor grænsebetingelserne fastsat af det foregående trin styrer fordelingen af ​​aerodynamiske kræfter.

Følgelig er forholdet mellem de inertikræfter, der deformerer vingen, og de elastiske kræfter, der genopretter dens form, en vigtig strukturel parameter. De kalder dette forhold for elasto-inertialtallet.

At forstå dette forhold, som kan ændre sig i forskellige dele af en vinge, kan vise sig at være en afgørende del af puslespillet for ingeniører, der forsøger at designe og bygge bedre blafrende flyers: pointen med hjem er, at vingernes fleksibilitet er vigtig.

Det har også vigtige konsekvenser for effektiviteten af ​​flyvningen. Thiria og Godoy-Diana siger: Vores målinger viser, at vingernes elastiske natur ikke kun kan føre til en væsentlig reduktion af den forbrugte kraft, men også til en forøgelse af fremdriftskraften. Hvilket endelig bekræfter ingeniørernes mistanker om lagring og frigivelse af elastisk energi.

Ref: arxiv.org/abs/1002.4890 : Bøjer for at flyve

skjule