Descoperirile dezvăluie mecanisme care explică stabilitatea zborului – ScienceDaily

O serie de experimente folosind avioane de hârtie dezvăluie noi efecte aerodinamice, a descoperit o echipă de oameni de știință. Descoperirile sale ne îmbunătățesc înțelegerea stabilității zborului și ar putea inspira noi tipuri de roboți zburători și drone mici.

„Studiul a început cu o simplă curiozitate cu privire la ceea ce face un avion de hârtie bun și în special ceea ce este necesar pentru alunecarea lină”, explică Leif Ristroph, profesor asociat la Institutul Courant de Științe Matematice de la Universitatea din New York și autor al studiului, care apare în cel Jurnalul de mecanică a fluidelor. „Răspunsul la astfel de întrebări de bază a ajuns departe de a fi un joc de copii. Am descoperit că aerodinamica modului în care avioanele de hârtie țin zborul la nivel este foarte diferită de stabilitatea avioanelor convenționale”.

„Păsările alunecă și planează fără efort, iar avioanele de hârtie, atunci când sunt reglate corespunzător, pot plana și pe distanțe lungi”, adaugă autoarea Jane Wang, profesor de inginerie și fizică la Universitatea Cornell. „În mod surprinzător, nu a existat un model matematic bun pentru a prezice acest zbor de planare aparent simplu, dar subtil”.

Din moment ce putem face să zboare avioane moderne complicate, spun cercetătorii, s-ar putea crede că știm tot ce trebuie să știm despre cele mai simple mașini de zbor.

„Dar avioanele de hârtie, deși sunt simple de făcut, implică o aerodinamică surprinzător de complexă”, notează Ristroph.

Autorii lucrării și-au început studiul luând în considerare ceea ce este necesar pentru ca un avion să alunece fără probleme. Deoarece avioanele de hârtie nu au motor și se bazează pe gravitație și pe un design adecvat pentru mișcarea lor, sunt candidați buni pentru a explora factorii din spatele stabilității zborului.

Pentru a investiga acest fenomen, cercetătorii au efectuat experimente de laborator lansând avioane de hârtie cu centre de masă diferite prin aer. Rezultatele, împreună cu cele de la studierea plăcilor care cad într-un rezervor de apă, au permis echipei să elaboreze un nou model aerodinamic și, de asemenea, un „simulator de zbor” capabil să prezică mișcările.

Pentru a găsi cel mai bun design, cercetătorii au plasat diferite cantități de bandă subțire de cupru pe partea din față a planurilor de hârtie, oferindu-le diferite locații ale centrului de masă. Greutățile de plumb adăugate pe farfurii în apă au servit aceluiași scop.

„Criteriul cheie al unui planor de succes este acela că centrul de masă trebuie să fie în locul „exact””, explică Ristroph. „Avioanele de hârtie bune realizează acest lucru cu marginea din față pliată de mai multe ori sau printr-o agrafă adăugată, ceea ce necesită puțină încercare și eroare.”

În experimente, cercetătorii au descoperit că mișcările de zbor depind sensibil de locația centrului de masă. Mai exact, dacă greutatea era în centrul aripii sau doar s-a deplasat oarecum de la mijloc, aceasta a suferit mișcări sălbatice, cum ar fi fluturarea sau răsturnarea. Dacă greutatea a fost deplasată prea mult spre o margine, atunci zburătorul s-a aruncat rapid în jos și s-a prăbușit. Între mijloc, însă, a existat un „punct dulce” pentru centrul de masă care a oferit o alunecare stabilă.

Cercetătorii au cuplat munca experimentală cu un model matematic care a servit drept bază pentru un „simulator de zbor”, un program de calculator care a reprodus cu succes diferitele mișcări de zbor. De asemenea, a ajutat la explicarea de ce un avion de hârtie este stabil în planul său. Când centrul de masă este în „punctul favorabil”, forța aerodinamică de pe aripa avionului împinge aripa înapoi în jos dacă avionul se mișcă în sus și înapoi în sus dacă se mișcă în jos.

„Locația forței aerodinamice sau a centrului de presiune variază în funcție de unghiul de zbor, astfel încât să se asigure stabilitatea”, explică Ristroph.

El observă că această dinamică nu are loc cu aripile de aeronave convenționale, care sunt profile aerodinamice — structuri ale căror forme lucrează pentru a genera portanță.

„Efectul pe care l-am găsit în avioanele de hârtie nu se întâmplă în cazul profilurilor tradiționale utilizate ca aripi de avioane, al căror centru de presiune rămâne fix în unghiurile care apar în zbor”, spune Ristroph. „Deplasarea centrului de presiune pare astfel a fi o proprietate unică a aripilor subțiri și plate, iar acesta ajunge să fie secretul zborului stabil al avioanelor de hârtie”.

„De aceea, avioanele au nevoie de o aripă de coadă separată ca stabilizator, în timp ce un avion de hârtie poate scăpa doar cu o aripă principală care oferă atât portanță, cât și stabilitate”, conchide el. „Sperăm că descoperirile noastre vor fi utile în aplicațiile de zbor la scară mică, în care s-ar putea să doriți un design minimal care nu necesită multe suprafețe de zbor, senzori și controlere suplimentare.”

Ceilalți autori ai lucrării au fost Huilin Li, doctorand la NYU Shanghai, și Tristan Goodwill, doctorand la Departamentul de Matematică al Institutului Courant.

Lucrarea a fost susținută de granturi de la Fundația Națională pentru Știință (DMS-1847955, DMS-1646339).

.

Leave a Comment