Сова с крыльями: Сова с расправленными крыльями – 45 фото

Как крылья бесшумной совы способствуют созданию более тихих самолетов и машин

• Исследователи используют биомимикрию для разработки более тихих турбомашин, самолетов и дронов.
• Задняя кромка крыльев совы меняет схему воздушного потока, приглушая шумный свист.
• Если зообиологи и инженеры будут работать вместе, это может привести к более полному пониманию того, почему совы летают практически бесшумно.

Если бы птицы могли быть ниндзя, лучшими из них были бы совы. Молчаливые и проворные, крылатые существа бросают свою добычу, не успев убежать, и устремляются на нее, чтобы убить. Эта скрытность вдохновила ученых на создание более тихого движения аэродинамических профилей в повседневных технологиях, включая самолеты, транспортные средства, дроны и ветряные турбины.

Исследователи из Сианьского университета Цзяотун в Сиане, Китай, специально использовали крылья совы в качестве вдохновения для более тихих лопастей турбомашин, которые могут быть шумными, когда воздух проходит по задней кромке их изогнутых поверхностей. (Турбомашины — это термин, описывающий машины, которые передают энергию между ротором и жидкостью, включая как турбины, так и компрессоры).

Ученые обнаружили, что зазубренные (или пилообразные) задние кромки уменьшают шум вращающихся механизмов, особенно когда они имеют форму, больше похожую на края крыльев совы. Воздух, обтекающий эти гребенчатые формы, распадается вместо того, чтобы продолжаться прямыми линиями, что заглушает свист пролетающей мимо совы. Пуховые перья на остальной части крыла также могут поглощать звук. Исследователи описывают свою работу в статье, опубликованной в журнале Physics of Fluids в конце прошлого года.

«Ночные совы издают примерно на 18 децибел меньше шума, чем другие птицы при той же скорости полета, благодаря своей уникальной конфигурации крыльев», — говорит Сяомин Лю, один из авторов статьи, в пресс-релизе . «Более того, когда сова ловит добычу, форма крыльев также постоянно меняется, поэтому большое значение имеет изучение конфигурации кромок крыльев во время полета совы».

Инженерное «Дух Животных»

С первых дней полета человека изобретатели вдохновлялись птицами. Братья Райт, например, поняли, что форма крыльев птиц имеет решающее значение для отрыва от земли, поэтому они скопировали эти свойства в конструкции своего механического самолета. Тем не менее, ученые все еще сбиты с толку, когда сталкиваются с шумной проблемой диссонанса задней кромки, явления, при котором воздух с шумом движется над задней кромкой аэродинамического профиля; это последняя часть крыла самолета, которой касается воздух, когда он свистит над ним спереди назад.

«Я бы сказал, что сова была давним духовным животным, если хотите, для сообщества воздушной акустики», Джастин Яворски , инженер-механик из Университета Лихай в Вифлееме, штат Пенсильвания, сообщает Popular Mechanics . «[Когда] вы исчерпали множество инновационных идей, вы ищете другие источники вдохновения. А сова была источником вдохновения не менее 80 лет».

ПОСМОТРЕТЬ ЭТИ ИСТОРИИ СЛЕДУЮЩИЕ ⬇️

• PigeonBot и будущее Flight
• Эти птицы-роботы воплощают красоту полета
• 30 самых странных птиц на планете

Воздух ведет себя как жидкость, когда он течет над аэродинамическим профилем и под ним, поверхность, которая рассекает воздух на скорости. Для самолета или птицы аэродинамический профиль — это крыло, а для ветряных турбин — вращающаяся лопасть. Форма аэродинамического профиля является ключом к генерации шума здесь. Когда воздух обтекает заднюю часть аэродинамического профиля, он становится турбулентным вдоль верхней и нижней поверхностей аэродинамического профиля. Когда этот слой воздуха достигает задней части аэродинамического профиля с гладкими краями — задней кромки, — он рассеивается и создает шум. «Зазубренные края могут частично ослабить этот процесс, нарушая локальный воздушный поток, в котором создается этот шум», — говорит Яворски.

Предыдущие исследования показали, что зазубренные или пилообразные задние кромки снижают шум вращающихся механизмов, но насколько сильно это зависит от конечного применения. Некоторые турбомашины уже извлекают выгоду из этих знаний. Например, немецкая компания Siemens Gamesa из Гамбурга добавила зазубренные задние кромки на свои ветряные турбины.

«В настоящее время конструкция лопаток вращающихся турбомашин постепенно совершенствуется, но технология шумоподавления все еще остается узким местом», — говорится в пресс-релизе Лю. «Возможности снижения шума обычных пилообразных структур ограничены, и необходимо предложить и разработать некоторые новые конструкции с негладкой задней кромкой, чтобы еще больше использовать потенциал бионического снижения шума».

Леонг Тиан Фу / EyeEm//Getty Images

Собственная работа Яворски в области гидродинамики, изучение жидкостей и газов в движении, исследует, какие характеристики крыльев совы ответственны за это почти бесшумное полет. В его статье 2020 года об аэроакустике полета совы, опубликованной в Annual Review of Fluid Mechanics, , рассматриваются важные прошлые исследования в этой области, включая его собственное исследование того, как физику воздушного потока можно применить для создания более тихих технологий. Ученые обычно проводят эксперименты по измерению шума живых сов в полете, тестируют собственные конструкции аэродинамических профилей, имитирующих крылья совы, и математически моделируют новые возможности дизайна.

Тем временем Лю и его команда исследовали семь различных конструкций задней кромки с помощью компьютерного моделирования; они создали виртуальную форму аэродинамического профиля, представляющую часть крыла ушастой совы, но заменили форму задней кромки. Каждую теоретическую модель они прогнали через программу, имитирующую воздушный поток на скоростях, используемых в турбомашинах.

🔬 Больше научных историй, которые мы любим

• Жемчуг может содержать секрет более прочной брони
• Наши глаза видят мир 15 секунд назад
• Вот почему ваш мозг не справляется с многозадачностью

Их тесты показали, что плавный задний фронт создает больше всего шума. Заостренная пилообразная форма задней кромки несколько снижает шум. Однако, когда треугольные зубцы на краю аэродинамического профиля изогнуты и соединены в два слоя, как перья на концах крыла совы, модель аэродинамического профиля становится значительно тише.

Гладкие задние кромки объясняют, почему ветряные турбины и самолеты такие шумные. В случае с самолетами существует жидкий пограничный слой, тонкий слой воздуха, покрывающий любую поверхность. Когда крыло рассекает воздух, слой утолщается к задней кромке, прежде чем снова слиться с воздухом вокруг крыла. «Это похоже на группу маленьких динамиков, когда они приближаются к заднему фронту», — объясняет Яворски. Край усиливает этот звук; воздух, обтекающий крыло, на самом деле издает звук, который мы слышим (помимо более очевидного шума двигателя во время полета).

фотография Линды Лайон//Getty Images

Совы ведут себя тихо, поэтому их добыча, обладающая очень чувствительным слухом, не замечает их приближения. Когда совы пролетают мимо очень чувствительных микрофонов, чтобы измерить уровень их звука, исследователи обнаружили, что они практически бесшумны, по крайней мере, для человеческого уха. Чтобы выяснить, почему, ученые превратили аэродинамический профиль, вдохновленный совами, в теоретические модели. «Возможность разрабатывать эти простые вычислительные модели и получать от них информацию полезна с точки зрения создания гораздо более сложных моделей, которые могут включать более реалистичные черты крыла совы», — говорит Яворски.

Дэвид Лентинк из Стэнфордского университета, например, изучает птичий полет и переводит его в инженерный дизайн. Лентинк исследовал крылья стрижа, который после выхода из гнезда остается в воздухе в течение года без перерыва. Он питается летающими насекомыми, черпает воду крыльями и даже спаривается в воздухе. Затем команда студентов бакалавриата под руководством Лентинка разработала беспилотник, конструкция которого основана на поведении стрижа в полете. Он также создал PigeonBot , самого совершенного птицеподобного робота из когда-либо созданных благодаря его способности имитировать движение крыльев голубя во время полета. Он опубликовал свою работу по пониманию биомеханики полета голубей в Science Robotics в январе 2020 года.

Посмотреть полный пост на Youtube

Дело в том, что мы далеки от разгадки всех тайн естественного полета. Существует множество теорий о том, что делает сов такими тихими, но никто точно не знает, какова комбинация факторов. «Если бы мы знали это, мы бы разрабатывали бесшумные вещи вокруг вас, используя то, что мы знаем», — говорит Яворски. По его словам, люди пытались имитировать зубчатую геометрию вдоль задней кромки крыла, но на самом деле никто не смог воспроизвести снижение шума, которого достигают совы, на модели размером с сову.

Как и у других хищных птиц, крылья сов имеют различные структурные части и устройства, а также множество перьев различной формы и размера. По словам Яворски, попытка смоделировать эти сложные биологические части, чьи конкретные функции еще не до конца изучены, является сложной задачей. «Это какая-то часть крыла, которая делает их такими тихими? Или это совмещение нескольких частей крыла? И как они его используют? Вот что усложняет. Существует просто бесконечное количество дизайнов геометрии краев, на которые вы можете посмотреть. Вы знаете, это все же идеализация. Мы ищем какую-то информацию, которая, возможно, послужит ориентиром для следующей исследовательской программы».

Прежде чем идти…

• Почему F-16 такой крутой самолет
• Почему истребитель F-35 такой крутой самолет
• Почему F/A-18 Hornet такой крутой самолет

Манаси Ваг

Редактор службы

До прихода в Popular Mechanics Манаси Ваг работала газетным репортером, научным журналистом, техническим писателем и компьютерным инженером. Она всегда ищет способы совместить три величайшие радости в своей жизни: науку, путешествия и еду.