Теперь инженеры из Стэнфорда разработали устройство, которое точно и гуманно измеряет силы, создаваемые крыльями птицы во время полета. Работа, опубликованная в журнале «Интерфейс» Королевского общества, обещает ответить на многие загадки полета птиц, оказывая помощь в разработке инновационных и эффективных беспилотных летательных аппаратов, известных как БПЛА или, в последнее время, дроны.
«Измерение подъемной силы птицы в свободном полете было святым Граалем для инженеров-биомехаников», — сказал Дэвид Лентинк, доцент кафедры машиностроения в Стэнфорде и ведущий автор новой статьи. Но все методы, разработанные до сих пор, давали неопределенные результаты.Эксперименты, связанные с измерением воздушного потока над птицей и экстраполяцией этой силы, страдают, когда поток становится турбулентным.
Для измерения потока также требуются мощные лазеры, которые могут навредить птицам (лаборатория Лентинка разработала специальные крошечные очки для защиты глаз птиц).Альтернативные методы основаны на измерении движения тела птицы для расчета ускорения, создаваемого частями ее тела, но для этого требуется рассечение после полета, чтобы определить соответствующие массы тела, чтобы вычислить, сколько силы приложила птица.«Мы разработали способ, позволяющий птице просто свободно летать в приятной окружающей среде. Это очень дружелюбный к животным метод, к тому же очень точный», — сказал Лентинк. «Мы награждаем птиц семенами за их полет.
После этого у нас есть счастливые птицы и счастливые исследователи».Чувствительная системаЛентинк называет свое устройство аэродинамической силовой платформой, и оно работает очень похоже на силовые платформы, которые позволяют биоинженерам изучать силы, которые люди прилагают для ходьбы или бега. Это коробка размером и формой с большую птичью клетку с акриловым смотровым окном и двумя насестами для птиц внутри.
К дну коробки прикреплены датчики сверхчувствительной силы.Эта передача силы основана на третьем законе движения Ньютона, который гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие. Когда птица перелетает с места на место, каждое взмах ее крыльев толкает воздух, который, в свою очередь, прижимается к дну ящика, а также слегка втягивает потолок.
Эти силы записываются для точного измерения каждого взмаха крыльев птицы.Каждое биение крыла длится 50 миллисекунд, а датчики производят новое измерение каждые 1 миллисекунду. Каждые 10 миллисекунд можно определять очень точное значение, получая подробные данные о подъеме птицы.
По словам Лентинка, эта система настолько чувствительна, что регистрирует колебания воздуха от вентиляционной системы лаборатории.«Мы должны выключить кондиционер, чтобы проводить эксперименты, но мы получаем очень чистые и точные данные, так что оно того стоит», — сказал Лентинк.Далее: дроны
Для доказательства принципа команда Лентинка сначала откалибровала свою аэродинамическую силовую платформу с помощью квадрокоптера, запрограммированного на создание переменной тяги, которую они измерили независимо, и продемонстрировали, что устройство является точным в пределах разрешающей способности датчиков 0,2 грамма.Затем они протестировали устройство на двух обученных тихоокеанских попугаях — по имени Рэй и Гага — и уже работа дает интересные результаты. Они обнаружили, что птицы производят подъемную силу, в два раза превышающую их вес тела во время движения вниз, и практически не создают подъемной силы при движении вверх, что поясняет классическую работу, выполняемую в поле.Инженеры завершают работу над усовершенствованной версией своего устройства, сделанной из углеродного волокна, и вскоре приступят к испытаниям более сложных маневров полета, выполняемых птицами.
Они также надеются разрешить продолжающуюся дискуссию о том, как колибри, взмах крыльев которых больше похож на насекомое, чем на птицу, создают подъемную силу. Другие интересные животные включают летучих мышей, которые летают с перепончатыми крыльями, управляемыми крошечными мышцами под кожей.
По словам Лентинка, понимание того, как животные летают так эффективно, может привести к усовершенствованию конструкции дронов. В частности, его группа построила машущего крылатого робота с крыльями в форме паруса и элементами жесткости из углеродного волокна, но у них не было возможности точно измерить, как работает его аэродинамика, и можно ли ее улучшить.
По его словам, с новым устройством они смогут измерять аэродинамические силы и получать мгновенную обратную связь, чтобы с большей уверенностью улучшать свои конструкции.