Альбатрос - один из самых эффективных путешественников в мире животных. Один вид, странствующий альбатрос, может пролететь почти 500 миль за один день, лишь изредка взмахнув крыльями. Птицы используют свой огромный размах крыльев, достигающий 11 футов в поперечнике, чтобы поймать ветер и оседлать его.
Наблюдатели на протяжении веков отмечали, что эти пернатые гиганты часами держатся в воздухе прямо над поверхностью океана, паря и ныряя между контрастирующими потоками воздуха, как будто катаясь на американских горках с боковой намоткой - схема полета, известная как динамическое парение..
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали новую модель для моделирования динамического парения и использовали ее для определения оптимальной схемы полета, которую должен выполнять альбатрос, чтобы собрать как можно больше ветра и энергии. Они обнаружили, что, когда альбатрос делает крен или поворачивает, чтобы нырнуть вниз и взлететь вверх, он должен делать это небольшими дугами, придерживаясь почти прямой траектории движения вперед.
Новая модель, по их словам, будет полезна для оценки того, как могут меняться схемы полета альбатросов по мере изменения ветров с изменением климата. Это также может быть использовано при проектировании дронов и планеров с приводом от ветра, которые, если запрограммировать их на энергоэффективные траектории для заданных ветровых условий, могут использоваться для выполнения длительных и дальних миссий по мониторингу в отдаленных регионах мира.
«Странствующий альбатрос обитает в Южном океане, который малоизвестен. Туда очень трудно добраться, и здесь много ветра и волн», - говорит Габриэль Буске, аспирант Массачусетского технологического института. Кафедра машиностроения.«Этот регион чрезвычайно важен для понимания динамики изменения климата. С помощью роботов, которые могут использовать ветер, вы могли бы осуществлять мониторинг в режиме реального времени и получать гораздо более плотные данные, чем мы можем сейчас. Это важный шаг вперед к написанию алгоритмов для роботы, чтобы они могли использовать ветер."
Буске является первым автором статьи, сообщающей о результатах команды, опубликованной в журнале Interface. Его соавторами являются Жан-Жак Слотин, профессор машиностроения и информационных наук, а также наук о мозге и когнитивных науках, и Майкл Триантафиллоу, профессор Генри Л. и Грейс Доэрти в области наук об океане и инженерии, а также профессор механики и океанотехники.
Соревновательный взлет
Проект команды был вдохновлен, в частности, соревнованиями по динамическому парению, в которых участники запускают планеры с вершины гор и отслеживают скорость каждого планера, когда он ныряет вниз, взлетает вверх, затем возвращается назад и снова ныряет вниз. в петле, движимой ветрами.
«Эти самолеты без каких-либо двигателей могут развивать скорость более 500 миль в час по кругу», - говорит Триантафиллоу. «Звучит странно - как можно продолжать выкачивать энергию из того, что кажется ничем?»
Оказывается, планеры получают ускорение за счет различных ветровых потоков. Когда планер запускается с вершины горы, сильный ветер может действовать как двигатель, ускоряя планер до тех пор, пока он не достигнет защищенного слоя более медленных ветров, после чего он может изменить направление своего полета, прежде чем снова подняться вверх в область сильных ветров.
То же явление, вызванное ветром, проявляется и в полете альбатроса, говорит Буске, с той лишь существенной разницей, что альбатрос парит не над горой, а над водой.
"Вопрос, который мы рассмотрели, заключался в том, что, поскольку ветер дует быстро высоко над водой и медленный у поверхности, как мы можем воспользоваться этими неоднородностями и использовать энергию ветра для эффективного полета? " Буске говорит.
Верхом на ветру
Известный английский физик лорд Рэлей был первым, кто описал динамическое парение в терминах математического моделирования, предсказав, что альбатросы должны летать по дуге, 180-градусному полукругу, попеременно паря в слоях сильного ветра и пикируя. вплоть до слоев слабого ветра. Это было общим пониманием даже сегодня.
Однако Буске и его коллеги пришли к совершенно другому выводу. Команда сначала смоделировала поле ветра, составив относительно простое уравнение для представления изменения скорости ветра с высотой. Они особо отметили толщину сдвигового слоя, которую можно рассматривать как расстояние между слоем медленных ветров и слоем быстрых ветров.
Затем они использовали трехмерную модель для представления полета альбатроса или планера. Эта модель состоит из сложных уравнений движения, которые чрезвычайно трудно решить, поскольку они учитывают взаимодействия внутри и между несколькими слоями атмосферы. Исследователи решили эти сложные уравнения, используя метод, называемый численной оптимизацией. Они варьировали толщину сдвигового слоя и искали минимальный ветер, необходимый для поддержания полета. Они обнаружили, что чем тоньше слой сдвига, тем меньше ветра требуется, чтобы удержать птицу в воздухе. Другими словами, чем ближе слои медленных и быстрых ветров, тем меньше энергии должен расходовать альбатрос, чтобы оставаться в воздухе.
Поскольку альбатрос летает только на высоте от 5 до 20 метров над водой, исследователям удалось упростить модель. Они переписали уравнения, существенно сжав их в двухмерную модель таким образом, чтобы она по-прежнему точно имитировала полет альбатроса или планера.
Они также обнаружили, как в численной, так и в двумерной модели, что по мере того, как слой сдвига становится тоньше, птица может летать более эффективно, если она ныряет и парит между слоями ветра по неглубоким дугам, а не по широким полукругам. Буске говорит, что на первый взгляд это может показаться нелогичным.
«Одним из способов взглянуть на это является то, что при каждом переходе между медленным и быстрым слоями увеличивается некоторая скорость полета», - объясняет Буске. «Наибольшая воздушная скорость при одном пересечении достигается при пересечении прямо против ветра или по ветру - это то, что происходит с полуоборотами. Однако есть также потеря воздушной скорости из-за сопротивления при повороте. Таким образом, оказывается, что важным показателем является соотношение выигрышей и убытков, поэтому эффективнее выигрывать понемногу, часто, как в случае с небольшими оборотами, чем много, но редко, например, с пол-оборотами."
Команда подсчитала, что наиболее энергоэффективной траекторией полета будет полет по чрезвычайно пологим дугам, амплитуда которых приближается к нулю градусов. Чтобы увидеть, верны ли эти результаты в реальном мире, они сравнили свои прогнозы с реальными GPS-записями альбатросов в полете. Эти записи показали, что птицы, как правило, поворачиваются под средним углом 60 градусов, что намного меньше, чем полукруг в 180 градусов, по которому, по мнению большинства ученых, следуют животные.
Слотин говорит, что выводы, изложенные в статье, могут послужить основой для создания дронов и планеров на ветряных двигателях - цели, над достижением которой команда активно работает.
«Если мы хотим спроектировать роботов, использующих ветер, теперь мы знаем, что движение вперед по неглубоким дугам способствует как скорости движения, так и эффективному извлечению энергии», - говорит Слотин. «И, оказывается, альбатросы так и делают».