Как птицы летают в порывистом ветре: механизм раскрыла сова по имени Лили
Ученые из Бристольского университета и Королевского ветеринарного колледжа выяснили, как птицы способны летать в условиях сильных порывов ветра. Эти открытия могут помочь в разработке биоинспирированных летательных аппаратов малого размера.
"Птицы регулярно летают при сильном ветре вблизи зданий и рельефа — часто в порывах, скорость которых сравнима с их собственной скоростью полета. Поэтому способность справляться с резкими изменениями ветра необходима для их выживания, чтобы, например, безопасно приземляться или ловить добычу", — отметил доктор Шейн Виндзор из Бристольского университета.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the Royal Society B, показывает, что крылья птиц действуют как система подвески, справляясь с изменяющимися ветровыми условиями. Команда использовала инновационное сочетание высокоскоростной 3D-реконструкции поверхности на основе видео, компьютерной томографии (КТ) и вычислительной гидродинамики (CFD), чтобы понять, как птицы "парируют" порывы за счет морфинга крыла — изменения его формы и позы.
В эксперименте, проведенном в лаборатории, сипуху по имени Лили снимали на видео, пока она планировала через серию вертикальных порывов, создаваемых вентилятором. Самый сильный порыв был сравним по скорости с её скоростью полета. Лили — дрессированная ловчая птица, опытная участница многих документальных фильмов о природе, поэтому её нисколько не смутили свет и камеры.
"Мы начали с очень мягких порывов, но вскоре обнаружили, что даже при самых высоких скоростях, которые мы могли создать, Лили оставалась невозмутимой; она летела прямо к пищевой награде, которую держал её тренер Ллойд Бак", — прокомментировал профессор Ричард Бомфри.
"Лили летела через турбулентные порывы и неизменно сохраняла голову и туловище удивительно стабильными, как если бы она летела с системой подвески. Когда мы проанализировали это, нас удивило, что эффект системы подвески был обусловлен не только аэродинамикой, но и массой её крыльев. Для справки: каждая из наших верхних конечностей составляет около 5% массы тела; у птицы это примерно вдвое больше, и они используют эту массу, чтобы эффективно поглощать порыв", — сказал ведущий автор работы доктор Йорн Чейни.
"Возможно, самое интересное открытие заключается в том, что самая быстрая часть эффекта подвески встроена в механику крыльев, поэтому птицам не нужно активно что-либо делать, чтобы она работала. Механика очень элегантна. У крыла, как и у биты или ракетки, есть "точка удара" (sweetspot). Наш анализ показывает, что сила порыва действует вблизи этой точки, что значительно уменьшает возмущение тела в первые доли секунды. Этот процесс автоматический и выигрывает достаточно времени для включения других умных стабилизирующих процессов", — добавил доктор Джонатан Стивенсон.
Доктор Виндзор отметил, что следующим шагом исследования, финансируемого Европейским исследовательским советом (ERC), Управлением научных исследований ВВС и Wellcome Trust, станет разработка биоинспирированных систем подвески для малогабаритных летательных аппаратов.