Птицы в лазерном свете выявляют недостатки исследований полёта

Исследователи из Стэнфорда провели эксперименты с попугайчиком по имени Оби, чтобы точно измерить вихри, создаваемые птицей в полёте. Их результаты, опубликованные в журнале Bioinformatics and Biomimetics, помогают объяснить, как животные создают достаточную подъёмную силу для полёта, и могут повлиять на проектирование летающих роботов и дронов.

Цель исследования состояла в том, чтобы сравнить три широко используемые модели, которые рассчитывают подъёмную силу летающего животного на основе его аэродинамического следа. Учёные выяснили, что все три модели оказались очень неточными, поскольку основаны на предположениях, которые не всегда верны.

Эксперимент с лазерами и птичьими очками

Для эксперимента ведущий автор Эрик Гутьеррес изготовил для попугайчика-неразлучника Оби специальные очки. Линзы были взяты от человеческих лазерных защитных очков, оправа напечатана на 3D-принтере, а крепились очки с помощью ветеринарной ленты. На очки нанесли отражающие маркеры для отслеживания скорости птицы. Оби обучили носить очки и перелетать с жёрдочки на жёрдочку.

В полёте птица пролетала через лазерный "лист", подсвечивающий нетоксичные аэрозольные частицы микронного размера. Движение крыльев нарушало поток частиц, что позволило получить детальную картину вихрей, создаваемых полётом.

Неожиданный результат: быстрое разрушение вихрей

Измерения показали, что концевые вихри с крыльев птицы разрушаются внезапно и драматично. В отличие от самолётов, у которых вихри разрушаются далеко позади (более чем в тысяче метров), у птиц это происходит очень близко — в пределах двух-трёх взмахов крыльев — и гораздо более интенсивно.

Проверка моделей на практике

Исследователи применили три преобладающие модели к реальным измерениям полёта Оби и получили три разные оценки подъёмной силы за взмах крыла. Эти расчёты сравнили с фактической подъёмной силой, измеренной ранее с помощью сверхчувствительной аэродинамической силовой платформы, разработанной в лаборатории.

Выяснилось, что в разной степени все три модели не смогли предсказать реальную подъёмную силу, создаваемую летящим попугайчиком.

Необходимость новых моделей

Это исследование подчёркивает сложности в создании летающих роботов на основе знаний о полёте животных. Различия между моделями и разнообразие изучаемых животных (птицы, летучие мыши, насекомые) крайне затрудняют сравнение данных в научной литературе.

Как показала проблемная работа существующих моделей, ответом может стать совершенно новая модель. Учёные предлагают комбинировать новую методику прямого измерения силы с детальными измерениями потока, чтобы лучше анализировать и моделировать аэродинамические явления в полёте животных.