Fizyka formacji lotu w kształcie litery V zapewnia wgląd w efektywność energetyczną

Ptaki od wieków inspirują ludzi do lotów, ale Shabnam Rayay wierzy, że mogą również zaoferować lekcje w zakresie ograniczania zużycia energii.

Rayai, pracownik Harvard's Rowland Institute, pracuje nad wyodrębnieniem fizyki o praktycznych zastosowaniach ze zjawisk naturalnych, takich jak latające ptaki czy łuski rekinów. Czerpiąc wskazówki z formacji lotu ptaków wędrownych w kształcie litery V, zespół Rayai ujawnił nowe spostrzeżenia na temat tego, w jaki sposób można zaprojektować lot bezzałogowych statków powietrznych, takich jak drony, tak, aby zapewnić dłuższą żywotność źródeł zasilania.

Wyniki będą miały również zastosowanie do wszystkich rodzajów ruchu masowego w mediach, od pojazdów poruszających się pod wodą po sposoby rozmieszczania płatów roślinności w celu kontrolowania powodzi. Artykuł badawczy zatytułowany „Wpływ konfiguracji V inspirowanej biologią na przepływ obiektów nielewitujących po aranżacji” opublikowany W magazynie Fizyka płynów.

Badania nad udoskonaleniem lotów masowych nie są nowe, ale większość z tych eksperymentów skupiała się na stałopłatach, w których siła nośna mechaniczna jest generowana przez kształt skrzydeł – twierdzą naukowcy. Niewiele wiadomo na temat „niepodnośnych” części pojazdów, takich jak nadwozia pojazdów o małym napędzie, które stają się coraz ważniejsze w środowiskach przemysłowych i wojskowych. „A co by było, gdyby nasze maszyny lub pojazdy nie miały stałych skrzydeł?” Powiedział Rayai. „Jak zmienia się fizyka przepływu?”

Odpowiedź na te pytania wymaga kreatywnego układu eksperymentalnego, który uwzględnia dokładność pomiaru i efektywność kosztową. Wykorzystując tunel wodny i cylindry do odwzorowania pojazdów w locie, zespół zastosował technikę zwaną prędkościometrią obrazu molekularnego do pomiaru pola przepływu wokół każdego obiektu. Pojedynczy laser i cztery przecinające się arkusze światła stworzyły w pełni oświetloną przestrzeń, w której badacze wykorzystali szybkie obrazowanie, aby uchwycić, jak różne układy wpływają na opór każdego obiektu. Ponieważ woda i powietrze są płynami newtonowskimi, proste obliczenia umożliwiają ekstrapolację dla różnych zastosowań.

Oto ich obserwacje: W jednej konfiguracji stwierdzili zmniejszenie oporu powietrza o 45% w przypadku członków drugiego rzędu za liderem oraz pewne dodatkowe korzyści w postaci zmniejszenia oporu w przypadku lidera. Z danych wynika, że ​​korzyści te zmniejszały się wraz ze zwiększaniem się kąta V.

Rayai podkreślił, że metryki stanowią podstawowy zestaw zasad, dzięki którym różni badacze lub branże mogą stosować własne standardy w celu poprawy wydajności. „Ulepszenie ma wiele ścieżek, w zależności od tego, co chcesz robić” – powiedziała. „Czy chcesz, aby cała siódemka Twoich członków korzystała z tej samej ilości baterii między punktem A a punktem B? Jeśli tak, musisz znaleźć sposób na zmianę lokalizacji członków podczas podróży”.

Docelowo Rayai chce pomóc przetrzeć szlak w kierunku dekarbonizacji, oferując nowe sposoby zmniejszenia zużycia energii i przejścia na elektryfikację. A natura ma na to sposób.

„Wiele zwierząt decyduje się na manewrowanie w grupach i to jest dla nich dobre – zarówno te, które chodzą, jak i te, które pływają lub latają” – powiedziała.