Naučnici sa Univerziteta u Hirošimi sproveli su proučavanje krila vretenca kako bi bolje razumeli odnos između strukture rebrastih krila i vrtložnih pokreta. Otkrili su da valovita krila pokazuju veće podizanje od ravnih krila.
Njihov rad je objavljen u časopisu Physical Review Fluids 7. decembra 2023.
Istraživači su pokušali da utvrde da li je nabor krila vilinog konjica tajni sastojak za povećanje podizanja. Dok su prošla istraživanja u velikoj meri zumirala na stabilan tok oko krila tokom kretanja unapred, uticaj vrtloga izazvanih njegovom valovitom strukturom na podizanje ostao je misterija.
Površine krila insekata poput vretenaca, cikada i pčela nisu ravne kao krila u putničkom avionu. Krila insekata su sastavljena od nerava i membrana, a njihovi oblici poprečnog preseka sastoje se od vrhova (nerva) i linijskih segmenata (membrana). Geometrija oblika se pojavljuje kao veza objekata sa V-oblikom ili drugim oblicima.
Ranije studije su pokazale da valovita krila, sa svojim grebenima i žljebovima, imaju bolje aerodinamičke performanse od glatkih krila pri niskim Rejnoldsovim brojevima. U aerodinamici, Rejnoldsov broj je veličina koja pomaže da se predvidi obrazac protoka tečnosti.
Ranije aerodinamičke studije na valovitim krilima doprinele su primeni u malim letećim robotima, bespilotnim letelicama i vetrenjačama. Pošto insekti poseduju nisku mišićnu snagu, na neki način njihova valovita krila moraju da im daju aerodinamičke prednosti. Ipak, naučnici nisu u potpunosti razumeli mehanizam koji radi zbog složene strukture krila i karakteristika protoka.
Istraživači su koristili direktne numeričke proračune da bi analizirali protok oko dvodimenzionalnog rebrastog krila i uporedili performanse rebrastog krila sa performansama ravnog krila. Svoju studiju su usredsredili na period između početne generacije vodećeg vrtloga i naknadnih interakcija pre odvajanja.
Otkrili su da su performanse valovitog krila bile bolje kada je napadni ugao, taj ugao pod kojim se vetar susreće sa krilom, bio veći od 30°.
Neravnomerna struktura rebrastog krila stvara nestabilno podizanje zbog složenih struktura protoka i vrtložnih kretanja. „Otkrili smo mehanizam za pojačavanje podizanja pokretan jedinstvenim plesom protoka vazduha koji pokreće posebna valovita struktura. To može da promeni igru u odnosu na scenario jednostavnog pločastog krila“, rekao je Iusuke Fujita, dr. student na Visokoj školi integrisanih nauka za život na Univerzitetu Hirošima.
Istraživači su konstruisali dvodimenzionalni model valovitog krila koristeći krilo vretenca iz stvarnog života. Model se sastojao od dubljih valovitih struktura na prednjoj ivici i manje dubokih ili ravnijih struktura na zadnjoj ivici.
Koristeći svoj dvodimenzionalni model, dodatno su pojednostavili kretanje krila i fokusirali se na stvaranje nestabilnog uzgona prevođenjem iz mirovanja. Translaciono kretanje, ili klizno kretanje, je glavna komponenta kretanja krila, pored nagiba i rotacije. Analiza istraživača proširuje razumevanje nestacionarnih mehanizama koje vilini konjici koriste tokom leta.
Istraživački tim je u svojoj studiji razmatrao dvodimenzionalne modele. Međutim, njihov rad se fokusirao na aerodinamiku leta insekata, gde je tok obično trodimenzionalan.
„Ako se ovi rezultati prošire na trodimenzionalni sistem, očekujemo da ćemo steći više praktičnog znanja za razumevanje leta insekata i njegove primene u industriji“, rekao je Makoto Iima, profesor na Visokoj školi integrisanih nauka za život Univerziteta u Hirošimi. .
Gledajući unapred, istraživači će svoja istraživanja usmeriti na trodimenzionalne modele. „Počeli smo sa dvodimenzionalnim modelom valovitog krila u iznenadnom naletu pokreta. Sada krećemo u potragu da istražimo povećanje podizanja kroz širi spektar oblika i pokreta krila. Naš krajnji cilj je da napravimo novi bio-inspirisano krilo sa visokim performansama našeg mehanizma za povećanje podizanja“, rekao je Fujita.
