science >> Wetenschap >  >> Elektronica

Drag kan vogels naar nieuwe hoogten tillen, onderzoekers vinden

Sensoren en hogesnelheidscamera's meten de krachten van papegaaitje Gary terwijl hij opstijgt en landt tussen twee zitstokken. Krediet:Diana Chin

Toekomstig luchtontwerp kan een knipoog van dank verschuldigd zijn aan vijf papegaaitjes die rondfladderen in een geïnstrumenteerde vluchtkamer aan de Stanford University. Ze onthulden dat in tegenstelling tot het conventionele begrip van hoe dieren en vliegtuigen vliegen, de vogels kunnen weerstand gebruiken om hun lichaamsgewicht te ondersteunen tijdens het opstijgen en lift gebruiken als rem bij hun landingen.

"De dingen die je in de klas leert, zijn niet altijd waar, " zei David Lentink, universitair docent werktuigbouwkunde. Nieuwe bevindingen kunnen het begrip van bekende concepten veranderen. In dit geval, hij zei, "We moeten ons idee van de functie van slepen herzien."

Conventionele wijsheid vertelt ons dat weerstand een kracht is die een object vertraagt ​​en optillen een kracht is die de zwaartekracht tegengaat. het optillen van een vogel of vliegtuig in de vlucht. Maar metingen gedaan door afgestudeerde studente Diana Chin, gepubliceerd op 25 november in Natuurcommunicatie , laten zien dat vogels tijdens het opstijgen daadwerkelijk gebruik maken van weerstand om tot de helft van hun lichaamsgewicht te ondersteunen, en die lift helpt hen te remmen tijdens de landing.

Vliegkrachten meten

Om de horizontale en verticale krachten onmiddellijk te meten, Chin bouwde een opstelling met sensorpanelen op de vloer, plafond, voor- en achterkant van de vliegroutes van de vogels. Elk paneel bevatte drie sensoren, net als de twee zitstokken voor het opstijgen en landen van vogels, het optellen van een totaal van 18 sensoren om de minuscule krachten te meten die worden gegenereerd door een vogel van 30 gram.

Dankzij ramen die in de panelen waren ingebouwd, kon Chin vleugelbewegingen filmen met vijf hogesnelheidscamera's die op 1 opnamen. 000 beelden per seconde. Door de gemeten beweging van de beelden te combineren met de krachtmetingen van de sensoren, Chin en Lentink konden voor het eerst de grootte van lift en weerstand bij het opstijgen en landen bepalen.

"Zoiets heeft nooit eerder bestaan, ", aldus Lentink. "De meettechniek op zich is een technische prestatie." het kostte Chin verschillende iteraties om de structuur met succes te ontwerpen en te fabriceren. De volgende uitdaging was om de papegaaitjes van het lab te krijgen - Gaga, Gerrit, Oreo, Aurora en Boy - om er vrijwillig in te vliegen.

Voor de vogels

Gelukkig voor Chin, papegaaitjes zijn zeer trainbare vogels en vliegen graag de 80 centimeter van baars naar baars voor een milletzaadje. Van deze vluchten Lentink en zijn team ontdekten dat door hun vleugels schuin te houden tijdens het opstijgen, de vogels kunnen hun lift naar voren oriënteren voor versnelling en hun weerstand naar boven om tot de helft van hun lichaamsgewicht te ondersteunen.

"Opstijgen is het belangrijkste, maar je hoopt ook op een veilige landing, "Zei Lentink. Het herbestemmen van weerstand tijdens het opstijgen maximaliseert in feite de gegenereerde krachten van de vogels, terwijl het heroriënteren van de lift hen kan helpen vertragen zonder de energiekosten van het remmen voordat ze de gecontroleerde botsing maken die ze een landing noemen.

"Veel andere fladderende dieren maken waarschijnlijk een soortgelijk gebruik van lift en drag tijdens het opstijgen en landen, " zei Chin. Juveniele vogels, zeevogels die ook onder water zwemmen en meer primitieve vogelsoorten die moeite hebben met het genereren van de nodige aerodynamische kracht met hun vleugels, zouden deze tactiek bijzonder nuttig vinden.

oude voorouders van vogels, protovogels genoemd, had ook vleugels die voornamelijk weerstand genereerden. Met de wetenschap dat luchtweerstand daadwerkelijk zou kunnen helpen bij het ondersteunen van het lichaamsgewicht bij het opstijgen, Chin en Lentink erkennen allebei dat er soorten kunnen zijn die eerder als vliegend werden geclassificeerd en die weerstand hadden kunnen gebruiken om in de lucht te komen.

Na 150 miljoen jaar evolutie van vogels, "Als moderne vogels er nog gebruik van maken, dat zegt veel, " zei Lentink. "Dat betekent niet dat het efficiënt is, maar het is effectief."

Herziening van de studieboeken

Moeten we alle technologieën in de lucht opnieuw opbouwen om deze ontdekking te weerspiegelen? Niet helemaal. Terwijl Lentink het ontwerp van een Boeing 747 met rust zou laten, hij stelt wel voor om zowel de manier waarop de evolutie van de vogelvlucht als de aerodynamica wordt onderwezen opnieuw te bekijken.

"Ik denk dat veel tekeningen in vliegboeken misleidend kunnen zijn, vooral als het gaat om dierenvluchten, " zei Chin. Drag zou een belangrijke rol kunnen hebben gespeeld in de evolutie van de vlucht van dieren. Voor voorlopers van vogels, het gebruik van weerstand om hun lichaamsgewicht te ondersteunen, had hen kunnen helpen hun vermogen op te voeren totdat hun vleugels in staat waren.

"Geen van de ruimtevaartliteratuur kwam met het gebruik van weerstand om gewicht te ondersteunen, " zei Lentink terwijl hij zowel biologie- als aerodynamica-leerboeken uit de schappen haalde, wijzend naar diagrammen van vogels in vlucht met de bijbehorende krachten erin getekend. "Die standaardtekening moet worden herzien."

Zelfs als conventionele vliegtuigen niet drastisch veranderen, Lentink ziet wel mogelijke toepassingen in het ontwerpen van luchtrobots. Net als bij vogels, het gebruik van weerstand om in de lucht te komen is misschien niet de meest efficiënte methode, maar het zou kunnen helpen om ze van de grond te krijgen.