دانشمندان دانشگاه هیروشیما برای درک بهتر رابطه بین ساختار موجدار بال ها و حرکات چرخشی، مطالعه ای روی بال های سنجاقک انجام دادند. آنها دریافتند که بالهای موجدار نسبت به بالهای صاف، برافراشته بیشتری از خود نشان می دهند.
کار آنها در مجله منتشر شده است مایعات برای معاینه فیزیکی در 7 دسامبر 2023
محققان تصمیم گرفتند تا تعیین کنند که آیا موجدار شدن بال سنجاقک یک عنصر مخفی برای افزایش بلند کردن است یا خیر. در حالی که تحقیقات گذشته تا حد زیادی بر روی جریان ثابت اطراف بال در حین حرکت رو به جلو زوم کرده است، تأثیر گرداب های ایجاد شده توسط ساختار موجدار آن بر روی بالابر همچنان یک راز باقی مانده است.
سطح بال حشراتی مانند سنجاقک، سیکادا و زنبور عسل مانند بال های هواپیمای مسافربری صاف نیست. بالهای حشرات از اعصاب و غشاء تشکیل شده‌اند و سطح مقطع آنها از راس (اعصاب) و بخش‌های خطی (غشاء) تشکیل شده است. هندسه شکل به صورت اتصال اجسام با V شکل یا اشکال دیگر ظاهر می شود.
مطالعات قبلی نشان داده است که بالهای موجدار با برجستگی ها و شیارهایشان عملکرد آیرودینامیکی بهتری نسبت به بالهای صاف در اعداد رینولدز پایین دارند. در آیرودینامیک، عدد رینولدز کمیتی است که به پیش‌بینی الگوی جریان سیالات کمک می‌کند. تحقیقات آیرودینامیکی قبلی روی بالهای موجدار به کاربرد در روبات‌های پرنده کوچک، هواپیماهای بدون سرنشین و آسیاب‌های بادی کمک کرده است. از آنجایی که حشرات قدرت عضلانی کمی دارند، بالهای موجدار آنها باید به نحوی مزایای آیرودینامیکی به آنها بدهد. با این حال، به دلیل ساختار پیچیده بال و ویژگی‌های جریان، دانشمندان به طور کامل مکانیسم کار را درک نکرده‌اند.
محققان از محاسبات عددی مستقیم برای تجزیه و تحلیل جریان اطراف یک ایرفویل موجدار دو بعدی استفاده کردند و ویژگی های ایرفویل موجدار را با ویژگی های ایرفویل صاف مقایسه کردند. آنها مطالعه خود را بر دوره بین نسل اولیه گرداب پیشرو و فعل و انفعالات بعدی قبل از جداسازی متمرکز کردند. آنها دریافتند که عملکرد بال موجدار زمانی بهتر است که زاویه حمله، زاویه ای که در آن باد با بال برخورد می کند، بیشتر از 30 درجه باشد.
ساختار غیر یکنواخت بال موجدار به دلیل ساختارهای جریان پیچیده و حرکات گردابی، بالابر ناپایدار ایجاد می کند. “ما یک مکانیسم بالابر تقویت کننده را کشف کرده ایم که توسط یک رقص جریان هوا منحصر به فرد ایجاد شده توسط یک ساختار موجدار مجزا ایجاد می شود. یوسوکه فوجیتا، دانشجوی دکترا در دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم زندگی یکپارچه، دانشگاه هیروشیما، گفت: این می‌تواند بازی را از سناریوی ساده بال بشقاب تغییر دهد!
محققان با استفاده از یک بال سنجاقک واقعی یک مدل دو بعدی از یک بال موج دار ساختند. این الگو شامل ساختارهای موجدار عمیق تر در سمت لبه جلویی و ساختارهای کمتر عمیق یا مسطح در سمت لبه عقب بود. آنها با استفاده از مدل دوبعدی خود، حرکت بال را ساده‌تر کردند و بر تولید بالابر ناپایدار با ترجمه از حالت سکون تمرکز کردند. پیچ یا سر خوردن، علاوه بر پیچ و رول، جزء اصلی حرکت بال است. تجزیه و تحلیل محققان درک مکانیسم های غیر ثابتی را که سنجاقک ها در طول پرواز استفاده می کنند، گسترش می دهد.
تیم تحقیقاتی در مطالعه خود مدل های دو بعدی را در نظر گرفتند. با این حال، کار آنها بر روی آیرودینامیک پرواز حشرات متمرکز بود، جایی که جریان معمولاً سه بعدی است. ماکوتو آیما، استاد دانشکده علوم زیستی یکپارچه دانشگاه هیروشیما گفت: «اگر این نتایج به یک سیستم سه بعدی تعمیم داده شود، ما انتظار داریم که دانش عملی بیشتری برای درک پرواز حشرات و کاربرد آن در صنعت به دست آوریم.
با نگاهی به آینده، محققان تحقیقات خود را بر روی مدل های سه بعدی متمرکز خواهند کرد. ما کارها را با یک الگوی بال موجدار دوبعدی در یک حرکت ناگهانی شروع کردیم. ما اکنون مأموریتی را برای بررسی افزایش لیفت در طیف گسترده‌تری از اشکال و حرکات بال آغاز می‌کنیم. فوجیتا گفت: هدف نهایی ما ایجاد یک بال جدید با الهام از زیست محیطی با کارایی بالا از مکانیسم افزایش بالابر است.
تیم تحقیقاتی شامل یوسوکه فوجیتا، دکترا، و ماکوتو آیما، استاد، هر دو از دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم زندگی یکپارچه، دانشگاه هیروشیما است. تحقیقات آنها توسط انجمن ژاپن برای ترویج علم KAKENHI و بنیاد علم و تحقیقات SECOM تأمین مالی شد.
