Aerodynamiczne zasady latających owadów: wortex na przednim krawędziowym przy niskich liczbach Reynolds

Dlaczego owady nie powinny latać — i jak to się dzieje

Stałe, bez drgania skrzydła owada analizowane z wykorzystaniem konwencjonalnej aerodynamicznej teorii statycznej generuje znacznie mniej podnoszenia niż potrzebne do utrzymania masy zwierzątka. Tradycyjna niejasność dotycząca tego faktu powodowała trwały mit, że „nauka mówi, że mrówki nie mogą latać.” Rozwiązaniem jest to, że skrzydła owadów nie lotują ani jak skrzydła samolotu, ani w sposób statyczny: drgają, obracają się i wykorzystują mekanizmy aerodynamiczne niespodziewane dla analizy statycznej.

Niska liczba Reynoldsa zmienia zasady

Liczba Reynoldsa Re = ρ·U·L/μ porównuje siły inertjalne do sił viskozycznych. Przedział liczby Reynoldsa skrzydła samolotu pasażerskiego w lotu wynosi około 10⁷–10⁸; skrzydło owadka owoce działa przy bliskim 100–1,000, a nawet duża motylek ptakowaty utrzymuje się poniżej blisko 10⁴. W tych niskich wartościach powietrze zachowuje się w stosunku do skrzydła porównywalnie gęstsze, warstwy graniczne są grubą, a płynący bez odseparowania strumień, na który liczy się skrzydło samolotu, jest znacznie trudniejszy do utrzymania — konwencjonalne skrzydło przy niskich wartościach liczby Reynoldsa motyla zastępuje (strumień odseparuje) w bardzo małych kątach ataku, co dokładnie jest powodem, dla którego owady opuścili tradycyjne aerodynamiczne zasady przepływowych strumieni.

Wortex na krawędzi skrzydła

Zamiast utrzymywać strumień w załączonym stanie, skrzydła owadów świadomie go oddzielają — a potem wykorzystują to oddzielone pole. Gdy skrzydło przemieszcza się przed siebie pod dużym kątem ataku, wortex na krawędzi skrzydła (WKS) rozwija się longinowo na początku krawędzi, tworząc stabilny niskoprężny tornado, który leży nad skrzydłem i generuje znacznie więcej podniesienia niż załączony strumień w tym samym kącie. Odkryty aerodynamicznie dla owadów przez zespół Ellingtona w 1996 roku badając gwoździkowate, a potwierdzony grupą Dickinsona za pomocą roboczych skrzydeł skalanych dynamicznie, WKS jest teraz zrozumiany jako dominujący mechanizm generujący podniesienie na owadach, mrowi, gwoździkowatych i delfinów. Krytycznie, wortex musi pozostawać załączony — na skrzydłach samolotu wortex oddziela się prawie natychmiast i zdejmuję podniesienie (dynamiczny stan odstępu); skrzydła owadów, dzięki przepływowi po długości skrzydła wywoływany przez jego longinowe ruchy, przenoszą wortex fluid do kreski szybko i długotrwało, co opóźnia oddzielenie dla całego pociągu. To nazywane jest opóźnionym stanem odstępu.

three unsteady lift mechanisms working together each half-stroke:

1. delayed stall        — LEV stays attached through translation, boosting lift
2. rotational lift       — rapid pitch-up/down at stroke reversal (Magnus-like)
3. wake capture          — wing re-enters the vortex wake shed by the previous stroke

Obrotowy podnoszenie sił i zapisanie waków

Na końcu każdej połowy pchnięcia skrzydło szybko obraca się (pronatuje lub supinuje) przed zmianą kierunku, ruch analogiczny do efektu Magnusa na kołyszącej się piłce: obrót dodaje okrążanie i podnoszenie w chwili, gdy prędkość translacyjna jest bliska zeru, co samodzielne aerodynamiczne obliczenia by przewidywały niemal brak siły. Następnie, gdy skrzydło przyspiesza do kolejnego pchnięcia, przecina się w powietrzu za woksem, który zrzucił kilka milisekund wcześniej — zapisanie waków — ściągając dodatkową chwilę od powietrza, które już było ruchome dzięki poprzednim pchnięciom. Nikt z trzech mechanizmów samodzielnie nie wyjaśnia pomiarowego podnoszenia sił; razem, na roboczym skrzydle skalowanym dynamicznie latającym w oleju mineralnym, reprodukują je do procentów.

Kinematyka flappinga: płaszczyzna uderzeń, kąt atakowy, częstotliwość uderzeń skrzydeł

Skrzydło owada nie przemieszcza się prosto w górę i dół; opisuje przybliżoną poziomą płaszczyznę uderzeń, podczas której kąt atakowy skrzydeł obraca się prawie o 180° między półuderzeniami, aby prowadząca krawędź była prowadzącą w obu kierunkach. Częstotliwość uderzeń skrzydeł odwrotnie proporcjonalna jest do wielkości i jest głównie zdecydowana przez częstotliwość rezonansową systemu sprężynowego piersi-skrzydła: owady owocowe uderzają około 200 Hz, mieleje blisko 230 Hz, duże motyle szkarłatne i delfinowate bliżej 20–30 Hz. Mięśnie lotne mają dwie architektury — mięśnie synchroniczne, które zaciskają się raz na każde uderzenie skrzydła (delfinowate, motyle, większość dużych owadów) i asynchroniczne ("fibrilary") mięśnie, które oscylują szybciej niż częstotliwość wywoływania nerwowej, podporządkowane zamiast tego rezonancji mechanicznej sprężystej piersi, co pozwala owadom i mielejom osiągnąć częstotliwości uderzeń skrzydeł, których ich system nerwowy nie mógłby samodzielnie komenderować.

Dlaczego to ważne poza entomologią

Zrozumienie niestacjonarnych, dominujących wortex aerodynamicznych przy niskim liczbę Reynoldsa zasługiwało bezpośrednio na zaprojektowaniu mikroprzeźroczystych pojazdów o skrzydłach drgających, od RoboBee Harvardu do DelFly Delftu. Wszystkie te pojazdy nie mogłyby lecieć, gdyby były zaprojektowane z wyobrażeniami dotyczącego skrzydeł nieruchomych. To również przekształca ogólne wnioski: stałe aerodynamiczne nie są prawem naturalnym, a jedynie przybliżeniem prawidłowym dla konkretnego zakresu, a najmniejsze latające stworzenia natury operują pohodnawczo poza nim.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Insect Flight Aerodynamics i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.