Aby zrozumieć dlaczego inżynierowie aerodynamiki tak bardzo zachwycają się sposobem latania ważek (i chcieliby go wykorzystać do budowy statków powietrznych), postanowiłam przyjrzeć się nieco tematowi latania z nieco szerszej perspektywy. Dlatego dziś parę informacji o samolotach, ptakach i prawach fizyki.
Obiekty cięższe od powietrza mogą latać dzięki zjawisku, którym rządzi prawo Bernoulliego (przystępne objaśnienia tu i tu). Asymetria skrzydła ptaka lub samolotu oraz jego ustawienie pod kątem do kierunku lotu powoduje, że prędkość opływającego je powietrza jest większa u góry niż u dołu. Zatem ciśnienie powietrza jest wyższe pod skrzydłem niż na jego górnej powierzchni. Skutkiem tej różnicy ciśnień jest siła nośna skierowana pionowo do góry, która może zrównoważyć działającą w dół siłę ciężkości, umożliwiając stabilny lot.
Siła nośna zależy od prędkości lotu – samolot lecący zbyt wolno spadnie ziemię. Prędkość lotu może być podtrzymywana przez silnik samolotu lub siłę mięśni ptaka. Inny sposób to umiejętne wykorzystanie siły ciążenia i termicznych prądów wstępujących w locie szybowym znakomicie opanowanym przez wiele gatunków ptaków.
 |
| Podstawowe prawo mechaniki lotu. Asymetria ptasiego skrzydła, podobnie jak asymetria skrzydła samolotu, powoduje różnice ciśnień, czego konsekwencją (efektem) jest siła nośna, która pozwala latać obiektom cięższym od powietrza. (źródło) |
 |
Ilustracja pojęcia siły nośnej na
przykładzie przekroju skrzydła samolotu (źródło)
|
 |
| Równowaga sił w czasie lotu. Jeżeli obiekt nie zmienia prędkości, to siły muszą równoważyć się parami. Siła nośna musi równoważyć siłę ciężkości, a siła ciągu musi równoważyć siłę oporu powietrza. W przypadku lotu ptaków "siłę ciągu" zapewniają mięśnie skrzydeł. |
Te proste, z dzisiejszego punktu widzenia, reguły znane są od dawna. Niestety, mimo ogromnego postępu, człowiek wykorzystuje je nadal dość niezdarnie. Samoloty wymagają potężnych silników o wielkiej mocy, by zrównoważyć siłę oporu powietrza, która gwałtownie rośnie wraz z prędkością lotu. Wydaje się, że konstrukcje samolotowe są, pod względem zużycia energii, wciąż dalekie od optymalnych.
Ptaki oraz zwierzęta, które szybko pływają w wodzie (wśród nich też są ptaki, np. pingwiny) mają naturalnie ograniczoną „moc silnika”, czyli siłę mięśni. Ale zamiast przyrostu mięśni, do których „zasilania” potrzebna byłaby coraz większa ilość pokarmu, przystosowanie ewolucyjne tych gatunków poszło w kierunku zadziwiającego wręcz zredukowania... siły oporu.
Aerodynamika ptasich skrzydeł oraz mechanika pływania takich zwierząt jak rekiny, czy delfiny są przedmiotem intensywnych badań mających na celu m.in. wyjaśnienie szczegółów przepływu w cienkiej warstwie (tzw. warstwie przyściennej) w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni ptasiego skrzydła, czy też skóry delfina. Wyjaśnienia wymaga, m.in. wpływ struktury drobnych piór ptasiego skrzydła na wielkość siły oporu, a także mechanizm precyzyjnej kontroli drobnych zawirowań powstających na powierzchni skrzydeł.
Ptasie skrzydła i pokrywające je pióra mają bardzo złożoną budowę i nawet jeśli zrozumiemy fizyczne podstawy ich działania długo nie będziemy potrafili jej naśladować dla własnych potrzeb. Przy odrobinie wyobraźni można by myśleć o samolotach pokrytych sztucznymi piórami, ale nierealne wydaje się, by samoloty latały machając skrzydłami. W dążeniu do zmniejszenia oporów ruchu łatwiej będzie wzorować się na zwierzętach pływających. W ich przypadku ważnym czynnikiem jest mikrostruktura skóry, którą mamy szansę naśladować.
Jest to fragment pracy (z drobnymi zmianami) pt. "Co ma Fizyka do Różnorodności Świata Ptaków?", której autorem jest Dr Konrad Bajer z Instytutu Geofizyki UW w Warszawie.
Prędkość, z jaką mogą latać samoloty, zależy od ich wagi i wielkości skrzydeł. Wydawałoby się, że podobnie będzie w przypadku latających zwierząt, ale ptaki zdają się nie podlegać tylko i wyłącznie zasadom aerodynamiki.
Zespół Thomasa Alerstama z Lund University przy pomocy radaru zbadał 138 gatunków ptaków. Utrwalono prędkości rozwijane przez ptaki bardzo różniące się gabarytami: od ważących mniej niż 30 g ptaków śpiewających po niemal 10-kilogramowe łabędzie.
Okazało się, że różnice w zakresie maksymalnych prędkości nie były tak duże, jak można by przewidywać na podstawie zasad aerodynamiki. Ekolodzy stwierdzili, że ewolucja zmusiła ptaki do przystosowania osiąganych prędkości do prowadzonego trybu życia. Wielkie ptaszyska mogą fruwać wolniej od teoretycznych wyliczeń, ponieważ duże szybkości okazałyby się w ich przypadku niewygodne, zwłaszcza przy starcie, manewrach i lądowaniu.
Ptaki drapieżne latają wolniej, a ptaki śpiewające szybciej niż sądzono (PLoS Biology).
Spokrewnione gatunki osiągają podobne prędkości, bez względu na wagę i rozpiętość skrzydeł swoich przedstawicieli. Potwierdzałoby to tezę, że ewolucja i warunki życia są w tym przypadku czynnikami decydującymi...
Nie wiadomo dokładnie, co (jeśli nie waga i rozpiętość skrzydeł) determinuje maksymalną osiąganą przez zwierzę prędkość lotu. Wydaje się, że główną rolę mogą odgrywać kształt skrzydeł i sposób poruszania nimi. (źródło)
Badania nad ptasim lotem pokazały jak jest on doskonały. Na przykład najkorzystniejszy kąt nachylenia skrzydeł, by pokonać siłę ciążenia, a jednocześnie posuwać się naprzód to 3-4 stopnie. Podczas lotu szybującego skrzydła ptaków pochylone są pod takim właśnie kątem.
Szybować potrafią niemal wszystkie ptaki. Najmniejsze gatunki wykorzystują tę umiejętność tuż przed lądowaniem, ale większe potrafią szybować dość długo. Niektóre ptaki (np. sępy) do perfekcji opanowały sztukę wykorzystywania prądów powietrznych, dzięki którym mogą wznosić się niemal bez poruszania skrzydłami.
Bardzo ciekawe są sposoby, które ptaki wykorzystują przy tzw. locie czynnym. Okazało się, że lotki, tworzące powierzchnię nośną skrzydeł, wcale nie są umieszczone sztywno. Gdy ptak opuszcza skrzydło, lotki tworzą zwartą powierzchnię, kiedy jednak unosi je, lotki obracają się i powietrze może swobodnie między nimi przepływać. Sposobów lotu jest jednak wiele - właściwie każdy z gatunków lata nieco inaczej. Niektóre unoszą się furkocząc bezustannie skrzydełkami, inne to podfruwają, to spadają, jeszcze inne łopoczą skrzydłami - miarowo i powoli.
Sposób lotu dostosowany jest do trybu życia ptaka. Sroki potrafią poruszać się bardzo sprawnie wśród gałęzi, dzięki szerokim skrzydłom i długiemu ogonowi, nie rozwiną jednak większej prędkości. Z kolei szybkie jerzyki czy sokoły mają wąskie, wygięte do tyłu skrzydła. (źródło)
Natomiast ważki ze swoimi czterema niezależnie pracującymi skrzydłami, to dopiero gratka dla inżynierów aerodynamików! Ale o tym będzie osobno.
Inne artykuły:
Fizyka samolotu
Rodzaje profili aerodynamicznych
Najszybsze ptaki świata
Doświadczenia dotyczące siły nośnej powietrza
3 527
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz