Самое подробное трехмерное аэродинамическое моделирование полета колибри, проведенное на сегодняшний день, окончательно продемонстрировало, что колибри достигает своих ловких пилотажных способностей благодаря уникальному набору аэродинамических сил, которые больше похожи на те, что у летающих насекомых, чем у других птиц. .Новое моделирование суперкомпьютера было создано парой инженеров-механиков из Университета Вандербильта, которые объединились с биологом из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. Он описан в статье «Трехмерные характеристики потока и подъемной силы парящего рубинового колибри», опубликованной этой осенью в журнале «Интерфейс Королевского общества».В течение некоторого времени исследователям было известно о сходстве между полетом колибри и насекомых, но некоторые эксперты поддержали альтернативную модель, согласно которой крылья колибри обладают аэродинамическими свойствами, подобными лопастям вертолета.
Однако новая реалистичная симуляция демонстрирует, что крошечные птички используют механизмы нестабильного воздушного потока, создавая невидимые вихри воздуха, которые создают подъемную силу, необходимую им для парения и перелета от цветка к цветку.Вы можете подумать, что если колибри просто взмахивает крыльями достаточно быстро и достаточно сильно, она может вытолкнуть вниз достаточно воздуха, чтобы удержать свое маленькое тело на плаву. Но, согласно моделированию, производство лифта намного сложнее.Например, когда птица тянет свои крылья вперед и вниз, крошечные вихри образуются на передней и задней кромках, а затем сливаются в один большой вихрь, образуя область низкого давления, обеспечивающую подъемную силу.
Кроме того, крошечные птички дополнительно увеличивают подъемную силу, которую они производят, поднимая свои крылья (вращая их вдоль длинной оси) во время взмахов.Колибри выполняют еще один изящный аэродинамический трюк, который отличает их от более крупных пернатых сородичей. Они не только создают положительную подъемную силу при движении вниз, но также создают подъемную силу при движении вверх, переворачивая свои крылья.
Когда передняя кромка начинает двигаться назад, крыло под ней вращается, так что верхняя часть крыла становится нижней, а нижняя — верхней. Это позволяет крылу образовывать вихрь на передней кромке при движении назад, создавая положительную подъемную силу.Согласно моделированию, удар вниз производит большую часть тяги, но это только потому, что колибри вкладывает в него больше энергии. Ход вверх дает только 30 процентов подъемной силы, но требует лишь 30 процентов энергии, что делает ход вверх столь же аэродинамически эффективным, как и более мощный ход вниз.
Напротив, большие птицы генерируют почти всю подъемную силу при движении вниз. Они тянут крылья к телу, чтобы уменьшить количество отрицательной подъемной силы, которую они производят при взмахе вверх.По словам исследователей, хотя колибри намного крупнее летающих насекомых и сильнее волнуют воздух во время движения, способ их полета более тесно связан с насекомыми, чем с другими птицами.
Такие насекомые, как стрекозы, комнатные мухи и комары, также могут парить и метаться вперед, назад и из стороны в сторону. Хотя конструкция их крыльев сильно отличается, они состоят из тонкой мембраны, усиленной системой жилок, они также используют механизмы нестационарного воздушного потока для создания вихрей, которые создают подъемную силу, необходимую им для полета. Их крылья также способны создавать положительную подъемную силу как при движении вверх, так и вниз.Чтобы запечатлеть детали аэродинамики способности колибри парить, Тайсон Хедрик, адъюнкт-профессор биологии UNC, нанес крошечные мазки нетоксичной краски в девяти местах крыла самки колибри с рубиновым горлом.
Затем он снял высокоскоростное видео со скоростью 1000 кадров в секунду на четыре камеры, пока птица парила перед искусственным цветком.Затем в Vanderbilt Haoxiang Luo, доцент кафедры машиностроения и докторант Цзялей Сун сняли видео, извлекли данные о положении точек в трех измерениях и реконструировали изменяющуюся форму и положение крыла для полного цикла взмахов.
Используя суперкомпьютеры в Экстремальных науках и инженерных открытиях Национального научного фонда (XSEDE) и в Центре перспективных вычислений для исследований и образования Вандербильта, инженеры создали гидродинамическую модель, которая имитировала тысячи крошечных вихрей, которые создают крылья колибри. и таким образом смог воспроизвести сложную сеть сил, которые позволяют этим крошечным чудесам природы летать.Исследование финансировалось грантами Национального научного фонда CBET-0954381 и IOS-0920358.Видео: http://www.youtube.com/watch?v=Dg8xg4U7Xqslist=UUtnWlJ_4k2E90luVGfeArdg