Почему крылья колибри так эффективны в полете
Исследование, основанное на более чем миллионе измерений аэродинамических сил и воздушных потоков, позволило определить, что делает крылья колибри столь искусными в зависании.
Команда под руководством доцента механической инженерии Стэнфорда Дэвида Лентинка полагает, что результаты могут оказать значительное влияние как на аэродинамические исследования, так и на развитие биоинспирированного дизайна дронов и других летательных аппаратов.
Роль удлинения крыла
Исследование сосредоточено на изучении удлинения крыла — отношения длины крыла к его ширине (хорде). У большинства самолетов и вертолетов крылья или лопасти имеют большое удлинение — они длинные и узкие. Такое крыло отлично работает при малых углах атаки, когда крылья почти параллельны земле, особенно при вращении или планировании. Однако при более агрессивных углах воздушный поток над крылом становится нестабильным, срывается с поверхности, и может произойти срыв потока (stall).
У большинства летающих животных, включая колибри, крылья имеют очень малое удлинение — короткие и широкие.
Разгадка физики полета
Чтобы разгадать эту физическую загадку, команда закрепила крылья музейных образцов колибри Калипты Анны на вращающемся устройстве и отслеживала поток воздуха вокруг крыла, которое двигалось, имитируя зависание. Они обнаружили, что передняя кромка крыла создает стабильный вихрь, похожий на торнадо, аналогичный ранее наблюдавшемуся у живых колибри.
Для понимания роли малого удлинения команда изучила широкий спектр моделей крыльев колибри — с малым, средним и большим удлинением. Оказалось, что крылья с большим удлинением, типичные для вертолетов, были чрезвычайно эффективны при малом угле атаки, но, как и предсказывалось, срывались на более крутых углах, характерных для колибри. При этих высоких углах крылья колибри со средним удлинением требовали примерно на 20% меньше мощности для зависания, чем вертолетные лопасти.
Эволюционный "золотой стандарт"
Исследователи изучили типы потоков у всех видов колибри — от 5-сантиметровой колибри-пчелы до 20-сантиметровой исполинской колибри — а также у других крыльев, от насекомых до крупных птиц. Они определили, что крылья с очень малым удлинением (как у мух) были наименее эффективны. Очень узкие крылья также генерировали вихрь, но он не распространялся на всю длину и часто разрушался в течение первого взмаха.
Работа показала, что "золотая середина" для стабильности вихря находится на расстоянии 4 хорд от основания крыла; за этой радиальной позицией крыло срывается. Интересно, что это может объяснять, почему у большинства колибри, а также насекомых, летучих мышей и других птиц удлинение крыла естественным образом находится между 3 и 4.
Практическое применение
Это открытие не только решает давний аэродинамический вопрос, но и будет полезно при проектировании квадрокоптеров, которым необходимо зависать или летать медленно в турбулентном воздухе. Если порыв ветра внезапно увеличит угол атаки лопасти ротора, коптер не сорвется, если лопасть имеет удлинение, подобное колибри, и для вращения лопасти потребуется меньше мощности.
Исследование опубликовано в Journal of the Royal Society Interface.