Gennem turbulente himmelstrøg: hvordan flydende dynamikeksperter afslører hemmelighederne bag fugleflyvning - Physics World

Gennem turbulente himmelstrøg: hvordan flydende dynamikeksperter afslører hemmelighederne bag fugleflyvning - Physics World

Tidsstempel: 5. december 2023 kl. 7:00

Foto af en pelikan, der flyver over et vandområde med vingespidserne vendt nedad og vingerne højt buede
Flapper og svævende: Pelikanernes vinger vender nedad, når de flyver nær vandoverfladen. Aerodynamikeksperter forsøger at forstå hvorfor. (Med høflighed: iStock/Aschen)

For menneskebyggede fly er turbulens et gammelt og knudret problem. Et af de første registrerede menneskelige flyveforsøg, udført af en munk fra det 11. århundrede ved navn Eilmer, sluttede, da hans fuglelignende træ- og lædervinger ikke kunne klare det, som krønikeskriveren kalder "vindens vold og luftens hvirvlende". Tusind år senere fortsætter det samme fænomen med at plage luft- og rumfartsindustrien ved at øge omkostningerne i tabt brændstof, mistede frokoster, mistede missioner og endda mistede liv.

Mærkeligt nok ser de fugle, der inspirerede Eilmer ud til at klare turbulens fint. Nogle fugle udnytter det faktisk ved at bruge energien i ustabile luftstrømme til at holde sig selv oppe.

I en række samtaler i sidste måned årligt møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics, en international lineup af højttalere tilbød ledetråde til, hvordan fugle håndterer flyveforhold, der udfordrer moderne fly – pyt med uforfærdede middelaldermunke. Blandt talerne var Cyprien de Sepibus, en ph.d.-studerende ved EPFL i Schweiz, som studerer pelikanflyvning. Pelikaner ses ofte glide lige over vandoverfladen, og forskere har længe antaget, at de skal udnytte et velkendt fænomen kaldet jordeffekt for at reducere den energi, de har brug for for at holde sig i luften.

Problemet med denne antagelse, forklarede Sepibus, er, at når pelikaner nærmer sig vandet, vender de deres vingespidser ned (se billedet ovenfor). Denne ændring tvinger vingen ind i en udtalt bue, hvilket efterlader det meste for langt væk til, at jordeffekten kan slå ind. Men hvis pelikaner ikke udnytter jordeffekten, hvorfor gider de så at flytte deres vingespidser? "Det må være en grund," sagde Sepibus.

For at finde ud af, hvad den grund er, henvendte Sepibus og kolleger sig til et gennemprøvet værktøj til forskning i væskedynamik: en vindtunnel. Efter at have testet flere vingeformer i tunnelen fandt de ud af, at en dyppet (anhedrisk) form giver mest løft, når den er monteret på en jordsimulerende fast plade. Dette resultat er suggestivt, sagde Sepibus, men også begrænset, fordi opsætningen ikke fanger alle mulige interaktioner mellem vingen og vandoverfladen. Han og hans vejleder Flavio Noca udfører derfor opfølgende eksperimenter, der involverer at trække modelvinger over overfladen af ​​en lang, smal vandtank. Deres foreløbige observationer indikerer, at forskellige vingetyper deformerer vandoverfladen på forskellige måder, hvilket tyder på, at pelikaner kan udnytte mere komplicerede effekter.

Rødhalede høge håndterer turbulens med lethed...

Foto af Petey, en rødhalehøg, der flyver mod en baggrund af træer
Intelligent flyer: Som en menneskepræget fugl kan den rødhalede høg Petey ikke slippes ud i naturen, så Auburn University Raptor Center beholder ham til uddannelsesformål - og lejlighedsvis eksperiment med væskedynamik. (Med høflighed: Auburn University Raptor Center)

Sepibus' bugsertank var ikke den eneste opfindsomme eksperimentelle teknik, der blev vist i sessionen. For at studere, hvordan duer ændrer stigningen på deres hale, når de lander, Ariane Gayout og hendes kolleger ved University of Groningen, Holland, byggede en "biohybrid" hale af rigtige duefjer og stak den fast i en vindtunnel. For at studere, hvordan luft strømmer rundt om flagermusvinger under flyvning, Chintan Panigrahi og kolleger ved Johns Hopkins University, USA, brugte en lignende teknik med en ægte, dissekeret flagermusvinge (fra en flagermus, der døde af naturlige årsager, skyndte han sig at bemærke).

Hovedprisen for eksperimentel realisme gik dog til forskere, der studerer rovfugle. I stedet for at fokusere på modelfugle eller stykker af rigtige, Vrishank Raghav fra Auburn University overtalte en egentlig rødhalehøg kaldet Petey til at flyve over en bank af opadvendte fans. Dette scenarie er vigtigt, fordi flaksende vingedroner håndterer denne type turbulens meget dårligt; i sit foredrag viste Raghav en video af en, der ramte patetisk ned efter blot et par sekunder. Petey håndterede dog den pludselige opstigning med aplomb. "Fuglen flyver igennem det, som om intet var sket," forklarede Raghav.

Baseret på data fra fire højhastighedskameraer, der sporede 10 punkter på Petey gennem hver testflyvning, mener Raghav og kolleger, at fuglens primære måde at afbøde vindstød på er vingestigning. Deres flyvedynamikmodel kan dog stadig ikke forudsige Peteys flyvevej ved høje "vindstødsforhold" (det vil sige, når vindhastigheden er meget højere end fuglens flyvehastighed)

At arbejde med et rigtigt levende dyr giver også udfordringer og fordele. "Der er meget entropi i disse eksperimenter," fortalte Raghav Fysik verden. Fordi Petey kun ville flyve, hvis han blev tilbudt mad, kunne forskerne kun lave seks testflyvninger om dagen. Nogle dage ville de få alt sat op og kalibreret kun for at Petey kunne beslutte, at han ikke var interesseret. Værre, Petey udviklede en foruroligende evne til at forudsige, hvornår han var ved at stå over for et højt vindstødsforhold, på trods af holdets bedste indsats for at randomisere fanhastighederne. "Vi tror på, at fuglen har lært," sagde Raghav bedrøvet.

…og kongeørne udnytter det

Foto af en kongeørn i flugt mod en sløret baggrund af bjerge
Hvor ørne svæver: Kongeørne udnytter energien i luftturbulens for at hjælpe dem med at holde sig i luften. (Med høflighed: iStock/Daniel Jara)

En sidste snak i serien vovede sig endnu længere ind i den virkelige verden af ​​fugleflyvning. For at forstå, hvordan fugle håndterer turbulens i naturen, Greg Bewley og kolleger ved Cornell University, USA knyttet GPS-aktiverede accelerometre til ryggen på seks kongeørne og indsamlede data om deres naturlige flyvning.

Baseret på de transmitterede accelerometerdata skabte Bewley og hans team en sandsynlighedsfordeling af forskellene i ørnens vertikale accelerationer. Da de matchede disse data med fuglenes GPS-bestemte lokaliteter og vejrregistreringer, fandt de lange "haler" i sandsynlighedsfordelingen i overensstemmelse med, at ørnene forstærkede, i stedet for at undertrykke, kraftige intermitterende opadgående vindstød. Selvom Bewley hævdede, at deres er første bevis af fugle, der drager fordel af turbulens, foreslog han, at det ikke var helt en overraskelse. "Denne [turbulens] er noget, disse dyr har udviklet sig til at bevæge sig i," fortalte han publikum.

Desværre tillod undersøgelsens natur ikke Bewley og kolleger at udforske, hvordan ørnene gør dette. ("Vi har ingen måde at skelne mellem forskellige former for adfærd, som fuglen udviser," bemærkede han.) Når det er sagt, tror de, at ørnene måske presser ned på opstrømninger og udlufter nedløb gennem deres fjer - en dynamisk og asymmetrisk reaktion, der menneskebyggede fly kan endnu ikke efterligne. Måske gjorde munken Eilmer det alligevel ikke så dårligt.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden