Træk kan løfte fugle til nye højder, finder forskere

Fremtidens luftdesign skylder måske et nikk tak takket være fem papegøjer, der blafrer rundt i et instrumenteret flyvningskammer ved Stanford University. De afslørede, at i modstrid med konventionel forståelse af, hvordan dyr og fly flyver, fuglene kan bruge træk til at støtte deres kropsvægt under start og bruge lift som bremse i deres landinger.

"De ting, du lærer i klassen, er ikke altid sande, "sagde David Lentink, adjunkt i maskinteknik. Nye fund kan ændre forståelsen af ​​velkendte begreber. I dette tilfælde, han sagde, "Vi skal revidere vores idé om trækfunktionen."

Konventionel visdom fortæller os, at træk er en kraft, der bremser en genstand, og løft er en kraft, der modvirker tyngdekraften, løfte en fugl eller et fly til flyvning. Men målinger taget af kandidatstuderende Diana Chin, udgivet 25. november i Naturkommunikation , viser, at fugle faktisk trækker på modstand for at støtte op til halvdelen af ​​deres kropsvægt under start, og det løft hjælper dem med at bremse under landing.

Måling af flyvekræfter

For at måle de vandrette og lodrette kræfter øjeblikkeligt, Chin byggede et setup med sensorpaneler på gulvet, loft, foran og bag på fuglenes flyveveje. Hvert panel indeholdt tre sensorer, det samme gjorde de to siddepinde til fugleløft og landing, summerer i alt 18 sensorer til at måle de små kræfter, der genereres af en 30-gram fugl.

Vinduer indbygget i panelerne gjorde det muligt for Chin at filme vingebevægelser med fem højhastighedskameraer, der skyder på 1, 000 billeder i sekundet. Ved at kombinere den målte bevægelse fra billederne samt kraftmålingerne fra sensorerne, Chin og Lentink kunne for første gang bestemme størrelsen af ​​løft og træk ved start og landing.

"Sådan noget har aldrig eksisteret før, " sagde Lentink. "Måleteknologien i sig selv er en ingeniørpræstation." Som sådan, det tog Chin flere iterationer for med succes at designe og fremstille strukturen. Den næste udfordring var at få laboratoriets papegøjer – Gaga, Gary, Oreo, Aurora og Boy - for frivilligt at flyve ind i den.

For fuglene

Heldigvis for Chin, Papegøjer er meget trænelige fugle og flyver med glæde de 80 centimeter fra aborre til aborre for et hirsefrø. Fra disse flyvninger, Lentink og hans team fandt ud af, at ved at vippe deres vinger i en skråning under start, fuglene kan orientere deres lift fremad for acceleration og deres træk opad for at støtte op til halvdelen af ​​deres kropsvægt.

"Start er det vigtigste, men du håber også på en sikker landing, " sagde Lentink. Genanvendelse af modstand under start maksimerer faktisk fuglenes genererede kræfter, mens omorientering af liften kan hjælpe dem med at sænke farten uden strømomkostningerne ved at bremse, før de foretager den kontrollerede kollision, de kalder en landing.

"Mange andre flappende dyr gør sandsynligvis lignende brug af lift og træk under start og landing, " sagde Chin. Unge fugle, havfugle, der også svømmer under vandet og mere primitive fuglearter, der har svært ved at generere den nødvendige aerodynamiske kraft med deres vinger, ville finde denne taktik særligt nyttig.

Fugles gamle forfædre, kaldet protobirds, havde også vinger, der primært genererede træk. Med viden om, at træk faktisk kunne hjælpe med at understøtte kropsvægt ved start, Chin og Lentink erkender begge, at der kan være nogle arter, der tidligere er blevet klassificeret som flyveløse, der kunne have brugt træk til at blive luftbårne.

Efter 150 millioner års fuglevolution, "hvis moderne fugle stadig gør brug af det, det siger dig meget, " sagde Lentink. "Det betyder ikke, at det er effektivt, men det er effektivt."

Revision af lærebøgerne

Bør vi genopbygge alle luftbårne teknologier for at afspejle denne opdagelse? Ikke helt. Mens Lentink ville lade designet af en Boeing 747 være alene, han foreslår at revidere både måden udviklingen af ​​fugleflyvning og aerodynamik undervises på.

"Jeg tror, ​​at mange tegninger i flyvelærebøger kan være vildledende, især når det kommer til dyreliv, "Sagde Chin. Drag kunne have spillet en væsentlig rolle i udviklingen af ​​dyreflyvning. For forstadier til fugle, at bruge træk til at støtte deres kropsvægt kunne have hjulpet dem med at øge deres evner, indtil deres vinger var i stand.

"Ingen af ​​rumfartslitteraturen fandt på at bruge træk til at understøtte vægten, " sagde Lentink, da han trak både biologi og aerodynamik lærebøger ned fra hylderne, peger på diagrammer over fugle på flugt med deres tilhørende kræfter trukket ind. "Denne standardtegning skal revideres."

Selvom konventionelle fly ikke vil ændre sig drastisk, Lentink ser potentielle anvendelser i design af luftrobotter. Ligesom med fugle, at bruge træk til at komme i luften er måske ikke den mest effektive metode, men det kunne hjælpe med at få dem op af jorden.