At lære af fisk og flag for at informere om nye fremdriftsstrategier

Nylig forskning foretaget af Andres J. Goza ved University of Illinois i Urbana-Champaign fandt sammenhænge mellem frekvenser og den passive dynamik i spil, når køretøjer bevæger sig i luft eller vand mod en bedre forståelse af, hvordan man bruger disse kræfter til at forbedre ydeevnen. At forstå denne væske-struktur interaktion på et meget grundlæggende niveau, kunne hjælpe med at informere nye fly og ubådsdesign med en meget anderledes bevægelse.

Fra bakspejlets vibrationer, lige når din bil når præcis 70 miles i timen til en bygning, der kollapser, når i et jordskælv, det begynder at vibrere ved en bestemt frekvens, der er uudnyttet energi, der kunne udnyttes til fremdrift. I nyere forskning, Andres J. Goza, fundet sammenhænge mellem frekvenser og den passive dynamik, der er på spil, når køretøjer bevæger sig i luft eller vand mod en bedre forståelse af, hvordan man bruger disse kræfter til at forbedre ydeevnen.

Ifølge Goza, adjunkt i Institut for Aerospace Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign, hans arbejde er et forsøg på at søge nye bio-inspirerede fremdriftsstrategier.

"Fisk svømmer meget effektivt, og fugle kan flyve meget effektivt, så hvordan kan vi bruge disse observationer til at informere om reelle paradigmeskift i de bevægelsesstrategier, som vi konstruerer, " sagde han. "F.eks. en fugls vinge og en fisks hale er fleksible, og når disse dyr flyver eller svømmer, luften og vandet omkring dem fremkalder passiv bevægelse.

"Et andet eksempel er, når luft blæser forbi et flag, får det til at klappe, det påvirker luftens bevægelse omkring det, " sagde Goza. "Hvis vi kan forstå denne væske-struktur-interaktion eller væske-struktur-kobling på et meget grundlæggende niveau, kunne vi bruge det til at designe fly og ubåde med en meget anden form for bevægelse?"

Goza sagde, at hastigheden af ​​luft- eller vandstrømmen rundt om køretøjet og tætheden af ​​de materialer, de er lavet af, spiller en rolle, både i resonansen og i den passivt inducerede bevægelse.

"Forskere har forstået, uden for denne væske-struktur interaktionskontekst, at der er en dyb respons, når du exciterer en struktur eller et system ved dets resonansfrekvens, " sagde Goza. "Men hvilken rolle spiller disse passive dynamikker, og kan vi tune de strukturelle egenskaber, så resonansfrekvensen af ​​dit system på en eller anden måde er meningsfuldt bundet til flowet – dvs. til den bevægelse, du ordinerer?"

Et stik i denne forskning var, at standarddefinitionen af ​​resonansfrekvens antog, at strukturen var i et vakuum. "Men det er det ikke; det er i væske, og væsken påvirker, hvad den resonansfrekvens er, " sagde Goza.

Følgelig, trin et var at definere et begreb om resonans, der inkorporerer væskens virkning.

"Et af de store bidrag i denne forskning var entydigt at definere denne resonansfrekvens, og så bekræfter vi, at over en lang række forskellige parametre ser vi faktisk ydeevnefordele nær denne resonansfrekvens, sagde han. Nemlig, hvis strukturen klapper eller bevæger sig med en bestemt frekvens inden for denne strømning, det fører til en forbedring af fremdriften."

Goza sagde, at de større hæve-amplitudeberegninger i højere grad afspejler fisk, der svømmer. Resultaterne viste, at ved disse større amplituder, både resonante og ikke-resonante mekanismer spillede en rolle.

"Resonans er defineret i form af super små bølger, men vi forstår, at fisk faktisk svømmer i store amplituder, " sagde Goza. "Vi byggede bro mellem at definere, hvad resonans betyder i denne lille amplitudeindstilling, når der er en væske til stede, men også at omfavne det faktum, at fisk gennemgår meget større følelser. Vi etablerede forbindelser til resultater i tilfældet med lille amplitude, at finde ud af, at ydelsesfordele vedvarer nær resonans, selv ved store amplituder, der faktisk er relevante for biologisk fremdrift. "

Afhængigt af regimet, Goza sagde, spidsbelastningen er nær denne resonansfrekvens forbundet med lille amplitude.

"Nøglen er, når du bevæger dig til disse store amplituder, resonans spiller fortsat en fremherskende rolle. Vi fandt ud af, at den lille lineære amplitudebegreb om resonans var passende til at forudsige og forstå disse toppe og tryk i de fleste tilfælde.

"Hvis denne passive bevægelse kan være nyttig i bevægelse, det kan reducere mængden af ​​energi, der sættes i systemet, "Sagde Goza." Vi kan udnytte denne passive dynamik og lade dem drive fremdriften for os. "

Goza sagde, at en af ​​de næste faser af denne forskning vil være at se på moderne aktive materialer, der kan indstilles til at have den rigtige resonansfrekvens til at inducere passiv dynamik med det ønskede output.