Vogels zijn al eeuwenlang de inspiratiebron voor de menselijke vlucht, maar Shabnam Raayai denkt dat ze ook lessen kunnen bieden in het terugdringen van het energieverbruik.

Als fellow aan het Rowland Institute van Harvard werkt Raayai aan het extraheren van natuurkunde met praktische toepassingen uit natuurlijke fenomenen, of het nu gaat om vliegende vogels of haaienschubben. Op basis van de V-vormige vluchtformaties van trekvogels heeft het team van Raayai nieuwe inzichten onthuld over hoe de vlucht van onbemande luchtvaartuigen, zoals drones, kan worden ontworpen om een ​​langere levensduur van energiebronnen mogelijk te maken.

De resultaten zouden ook van toepassing zijn op allerlei vormen van collectieve beweging via medium, van voertuigen die onder water bewegen tot de manier waarop vegetatieplekken kunnen worden ingericht voor overstromingsbeheersing. Het onderzoeksartikel, getiteld "Impact of bio-geïnspireerde V-formatie op de stroom langs de opstelling van niet-liftende objecten", is gepubliceerd in het tijdschrift Physics of Fluids .

Onderzoek naar optimalisatie van groepsvluchten is niet nieuw, maar de meeste van dergelijke experimenten waren gericht op vliegtuigen met vaste vleugels, waarbij mechanische lift wordt gegenereerd door de vorm van de vleugels, zeggen de onderzoekers. Er is minder bekend over "niet-hijsende" onderdelen van voertuigen, zoals de carrosserieën van kleine propellervaartuigen, die steeds belangrijker worden in industriële en militaire omgevingen. "Wat als onze apparaten of voertuigen geen vaste vleugels hebben?" zei Raayai. "Hoe verandert de stromingsfysica?"

Om deze vragen te beantwoorden was een creatieve experimentele opstelling nodig waarbij rekening werd gehouden met zowel de meetnauwkeurigheid als de kosteneffectiviteit. Met behulp van een watertunnel en cilinders om voertuigen tijdens de vlucht weer te geven, gebruikte het team een ​​techniek genaamd deeltjesbeeldsnelheid om het stromingsveld rond elk object te meten. Een enkele laser en vier elkaar kruisende lichtplaten creëerden een volledig verlichte ruimte, waarin de onderzoekers met hogesnelheidsbeeldvorming vastlegden hoe verschillende opstellingen de weerstand van elk object beïnvloedden. Omdat water en lucht beide Newtoniaanse vloeistoffen zijn, maken eenvoudige berekeningen extrapolatie naar een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk.

Onder hun observaties:In één configuratie vonden ze een vermindering van de luchtweerstand van 45% voor leden op de tweede rij achter de leider, en een extra voordeel voor de vermindering van de luchtweerstand voor de leider. Volgens de gegevens namen deze voordelen af ​​naarmate de hoek van de V groter werd.

Raayai benadrukte dat de metingen een basisset van principes vormen op basis waarvan verschillende onderzoekers of industrieën hun eigen parameters voor optimalisatie kunnen toepassen. "Optimalisatie kent meerdere paden, afhankelijk van wat je wilt doen", zei ze. "Wil je dat al je zeven leden dezelfde hoeveelheid batterij gebruiken tussen punt A en punt B? Als dat het geval is, zul je een manier moeten bedenken om tijdens je vlucht van positie te wisselen."

Uiteindelijk wil Raayai een weg helpen banen naar een koolstofarme economie door nieuwe manieren aan te bieden om het energieverbruik te verminderen en richting elektrificatie te gaan. En de natuur heeft een manier om haar een duwtje te geven.

"Veel dieren kiezen ervoor om in groepen te manoeuvreren, en dat is gunstig voor hen:degenen die lopen, en degenen die zwemmen of vliegen," zei ze.

Meer informatie: Prasoon Suchandra et al, Impact van bio-geïnspireerde V-formatie op stroming langs arrangementen van niet-liftende objecten, Physics of Fluids (2024). DOI:10.1063/5.0186287

Journaalinformatie: Fysica van vloeistoffen

Aangeboden door Harvard University

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, de officiële krant van Harvard University. Ga voor meer universitair nieuws naar Harvard.edu.