Framtida flygdesign kan tacka tack för att fem papegojor flaxar runt i en instrumenterad flygkammare vid Stanford University. De avslöjade att det strider mot konventionell förståelse för hur djur och plan flyger, fåglarna kan använda drag för att stödja sin kroppsvikt under start och använda lyft som en broms i deras landningar.

"De saker du lär dig i klassen är inte alltid sanna, "sa David Lentink, biträdande professor i maskinteknik. Nya fynd kan förändra förståelsen av välkända begrepp. I detta fall, han sa, "Vi måste revidera vår idé om dragets funktion."

Konventionell visdom berättar att drag är en kraft som saktar ner ett föremål och lyft är en kraft som motverkar tyngdkraften, lyfta en fågel eller ett flygplan. Men mätningar gjorda av doktoranden Diana Chin, publicerad 25 november i Naturkommunikation , visa att fåglar faktiskt drar på drag för att stödja upp till hälften av sin kroppsvikt under start, och den lyften hjälper dem att bromsa under landning.

Mätning av flygkrafter

För att mäta de horisontella och vertikala krafterna omedelbart, Chin byggde en installation med sensorpaneler på golvet, tak, fram och bak på fåglarnas flygvägar. Varje panel innehöll tre sensorer, liksom de två abborren för fågellyftning och landning, summerar totalt 18 sensorer för att mäta de små krafter som genereras av en 30 gram fågel.

Fönster inbyggda i panelerna gjorde att Chin kunde filma vingrörelser med fem höghastighetskameror som skjuter på 1, 000 bilder per sekund. Genom att kombinera den uppmätta rörelsen från bilderna såväl som kraftmätningarna från sensorerna, Chin och Lentink kunde för första gången bestämma storleken på lyft och drag vid start och landning.

"Något sådant här har aldrig existerat tidigare, "sa Lentink." Mättekniken i sig är en teknisk prestation. "Som sådan, det tog Chin flera iterationer för att framgångsrikt designa och tillverka strukturen. Nästa utmaning var att skaffa laboratoriets papegojor - Gaga, Gary, Oreo, Aurora och pojke - att frivilligt flyga in i den.

För fåglarna

Lyckligtvis för Chin, papegojor är mycket träningsbara fåglar och kommer gärna flyga 80 centimeter från abborre till abborre för ett hirsfrö. Från dessa flygningar, Lentink och hans team fann att genom att luta vingarna i en lutning under start, fåglarna kan orientera sitt lyft framåt för acceleration och deras drag uppåt för att stödja upp till hälften av sin kroppsvikt.

"Start är det viktigaste, men du hoppas på en säker landning också, "Lentink sa. Återanvändningen av drag under start maximerar faktiskt fåglarnas genererade krafter, medan omorientering av lyft kan hjälpa dem att sakta ner utan strömkostnaderna för att bromsa innan de gör den kontrollerade kollision som de kallar en landning.

"Många andra flaxande djur använder troligen liknande lyft och drag under start och landning, "sade Chin. Ungfåglar, havsfåglar som också simmar under vattnet och mer primitiva fågelarter som har svårt att generera den nödvändiga aerodynamiska kraften med sina vingar skulle tycka att denna taktik var särskilt användbar.

Fåglarnas gamla förfäder, kallas protobirds, hade också vingar som främst genererade drag. Med vetskapen om att drag faktiskt kan hjälpa till att stödja kroppsvikt vid start, Chin och Lentink erkänner båda att det kan finnas vissa arter som tidigare har klassificerats som flyglösa som kunde ha använt drag för att bli luftburna.

Efter 150 miljoner år av fågelutveckling, "om moderna fåglar fortfarande använder det, det säger en hel del, "sa Lentink." Det betyder inte att det är effektivt, men det är effektivt. "

Översyn av läroböckerna

Ska vi bygga om all luftburen teknik för att återspegla denna upptäckt? Inte riktigt. Medan Lentink skulle lämna designen av en Boeing 747 ensam, han föreslår att vi går igenom både utvecklingen av fågelflygning och aerodynamik.

"Jag tror att många teckningar i flygböcker kan vara vilseledande, särskilt när det gäller djurflyg, "Sade Chin. Drag kunde ha spelat en viktig roll i utvecklingen av djurflyg. För föregångare till fåglar, att använda drag för att stödja sin kroppsvikt kunde ha hjälpt dem att öka sin förmåga tills deras vingar kunde.

"Ingen av rymdlitteraturen kom på att använda drag för att stödja vikt, "sa Lentink när han drog både läroböcker om biologi och aerodynamik från hyllorna, pekar på diagram över fåglar i flygning med tillhörande krafter indragna. "Den standardritningen måste revideras."

Även om konventionella flygplan inte kommer att förändras drastiskt, Lentink ser potentiella tillämpningar i konstruktionen av flygrobotar. Precis som med fåglar, utnyttja drag för att få luftburna är kanske inte den mest effektiva metoden, men det kan hjälpa till att få dem från marken.