Varför elasticitet är nyckeln till flaxande flygning

Slå med armarna en stund och du kommer snart att märka att den konstanta cykeln av acceleration och retardation kräver och till och med slösar bort enorma mängder energi. Och ändå för fåglar är vingklappning ett mycket effektivt sätt att framdriva. En fråga som fortfarande förbryllar aerodynamiker är hur fåglar kan minimera energikostnaderna vid flygning samtidigt som de genererar användbara aerodynamiska krafter.

Ingenjörer har länge insett att elasticiteten hos en flaxande vinge är en del av svaret men har lite mer än handviftande argument för att förklara varför. Tanken är att vingen lagrar elastisk potentiell energi när den böjs och senare frigör den i en gynnsam del av flaxningscykeln. Men frånvaron av bra experimentella bevis för att kvantifiera denna process gör att förståelsen fortfarande är skissartad.

Ett problem är svårigheten att studera det komplexa samspelet mellan flaxande maskiner och luft. Olika experiment har mätt de krafter som en vinge upplever när den flaxar i luftflödet som genereras i en vindtunnel. Men detta är en mycket artificiell situation där luftens rörelse är helt skild från vingens flaxande rörelse. Det verkar tydligt att i verklig flygning är karaktären av interaktionen mellan vingen och luften avgörande och ändå har ingen undersökt detta i detalj.

Tills idag. Benjamin Thiria och Ramiro Godoy-Diana vid Université Denis Diderot i Paris byggde en självgående flaxande vinge och studerade krafterna i arbete när den rör sig genom luften och hur detta deformerar vingen, som är fäst vid en karusell så den går runt i cirklar när den flaxar (se ovan).

Resultaten ger en viktig inblick i mekaniken i flaxande flygning. De säger: effekten av vingflexibilitet på effektiviteten hos flaxande flygblad kan ses som en tvåstegsprocess: ett fast mekanikproblem, där balansen mellan tröghetskrafter och elastiska krafter bestämmer den momentana formen på de flexibla vingarna, följt av en vätskedynamikproblem, där de gränsvillkor som ställts upp av föregående steg styr fördelningen av aerodynamiska krafter.

Följaktligen är förhållandet mellan tröghetskrafterna som deformerar vingen och de elastiska krafterna som återställer dess form en viktig strukturell parameter. De kallar detta förhållande för elasto-tröghetstalet.

Att förstå detta förhållande, som kan förändras i olika delar av en vinge, kan visa sig vara en avgörande del av pusslet för ingenjörer som försöker designa och bygga bättre flaxande flygblad: poängen att ta hem är att flexibiliteten hos vingarna är viktig.

Det har också viktiga konsekvenser för flygets effektivitet. Thiria och Godoy-Diana säger: Våra mätningar visar att vingarnas elastiska natur inte bara kan leda till en avsevärd minskning av den förbrukade kraften, utan också till en ökning av framdrivningskraften. Vilket slutligen bekräftar ingenjörernas misstankar om lagring och frigöring av elastisk energi.

Ref: arxiv.org/abs/1002.4890 : Böjer för att flyga

Dölj