Правы ли инженеры-конструкторы, которые при создании беспилотников ориентируются на физику полёта птиц и можно ли вообще предсказать характер птичьего полёта? На эти вопросы ответила новая работа американских учёных. И ответ в обоих случаях оказался отрицательным.
Поясним для начала, что исследование ставило целью изучение машущего (или активного) птичьего полёта – его механика пока не до конца понятна учёным, в отличие от парящего (пассивного) полёта, аэродинамика которого лежит сегодня в основе полётов самолётов. А небольшие птицы (как и некоторые насекомые) могут совершать ещё и поступательный полёт (резкое изменение направления) и зависание.Понимание этих механизмов важно для создания летающих микророботов.
Для эксперимента один из авторов исследования Эрик Гутьеррез (Eric Gutierrez) из Лаборатории Дэвида Лентинка в Стэнфорде (Lentink Lab) натренировал воробьиного попугая по кличке Оби перелетать с одной жёрдочки на другую. Гутьеррез также напечатал на 3D-принтере специальные "лазерозащитные" очки для пернатого, на внешнюю сторону которых нанёс отражающие метки, которые помогли следить за быстротой полёта подопечного.
Воробьиные попугаи – одни из самых "малогабаритных" птиц, и они владеют техникой как машущего, так и поступательного полёта.
Фокус исследования состоял в том, что летал Оби сквозь лазерный щит, освещавший микронные частицы аэрозоля (нетоксичного для птицы). Взмахи крыльев создавали вихри, и эти движения в деталях записывались на 12 высокоскоростных камер. Частицы аэрозоля были нужны для визуализации воздушных потоков: когда крылья разгоняли и перемешивали их, свет лазера отражался от микрочастиц, и учёные могли зафиксировать каждую струю воздуха.
В то же время авторы исследования предсказывали характер завихрений воздуха с помощью трёх известных на сегодняшний день моделей механизма полётов (теоремы Жуковского, модели вихревого кольца и модели активного диска). Оказалось, что ни одна из них не способна дать адекватную оценку ситуации: значение подъёмной силы птичьего крыла либо недооценивалось, либо указывало на свободное падение.
Всё дело в том, что в момент взмаха крылом завихрения воздуха не были упорядочены, как ожидали учёные. Наоборот, они происходили хаотично и очень быстро (рисунок вихрей менялся каждые 100 миллисекунд). Кроме того, завихрения возникали максимально близко к телу птицы – у основания крыла, в то время как расчёты ориентируются на всё крыло в целом.
"Мы показали, что уравнения, которые люди использовали для описания полёта животных, не так надежны, как нам бы этого хотелось. Нам нужны новые исследования, новые методы, чтобы действительно показать, что на наши предсказания этого процесса можно положиться", — отмечает соавтор исследования Дэвид Лентинк (David Lentink).
По мнению учёных, исследование поможет создать новые модели, предсказывающие аэродинамику полёта птиц, а также прояснить ещё более сложные механизмы полётов насекомых. Эта информация должна помочь инженерам в разработке микроботов и различного рода беспилотников и дронов. А попугай Оби тем временем заслужил благодарности учёных, а также любимое лакомство – свежие соцветия брокколи.
Полный текст исследования опубликован на сайте научного издания Bioinspiration & Biomimetics.
Напомним, что ранее учёные разработали сверхчувствительный прибор для измерения веса птиц в полёте, а летучие мыши превзошли птиц по дальности полётов.
