Människor har fascinerats av fågelflyg i århundraden, men exakt hur fåglar kan vara så smidiga i luften är fortfarande mystiskt. En ny studie, publicerad 5 september i Proceedings of the National Academy of Sciences , använder modellering och aerodynamik för att beskriva hur måsar kan ändra formen på sina vingar för att kontrollera deras svar på vindbyar eller andra störningar. Lektionerna kan en dag gälla obemannade flygfarkoster eller andra flygmaskiner.

"Fåglar utför lätt utmanande manövrar och de är anpassningsbara, så vad exakt med deras flygning är mest användbart att implementera i framtida flygplan?" sa Christina Harvey, biträdande professor vid avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid University of California, Davis och huvudförfattare på tidningen.

Harvey började studera måsar som en masterstudent i zoologi vid University of British Columbia, efter att ha tagit sin kandidatexamen i maskinteknik.

"Måsar är mycket vanliga och lätta att hitta, och de är verkligen imponerande segelflygare," sa hon.

Harvey fortsatte sitt arbete med måsar som doktorand vid University of Michigan. Hon började nyligen på fakulteten vid UC Davis efter att ha avslutat sin doktorsexamen i flygteknik.

I mars i år publicerade Harvey och kollegor vid University of Michigan en artikel i Nature analyserar flygdynamiken för 22 fågelarter. Medan tidigare studier har tenderat att fokusera på aerodynamik – hur luft rör sig runt en fågel – utvecklade Harvey ekvationer för att beskriva fåglars tröghetsegenskaper, såsom tyngdpunkten och neutralpunkten, där aerodynamiska krafter konsekvent kan modelleras som punktkrafter.

Flygplan är vanligtvis konstruerade för att vara stabila eller instabila. Ett stabilt flygplan kommer att tendera att återgå till ett stabilt flyg när det störs (till exempel när det trycks upp av en vindby). Detta är önskvärt, till exempel i ett flygplan, men inte för en jetjager. Mycket manövrerbara flygplan är designade för att vara instabila.

I deras Natur paper, Harvey och kollegor visade att nästan alla fågelarter som studerats är kapabla till både stabil och instabil flygning och använder vingrörelser för att växla mellan dessa lägen.

Kontrollerbar flygning

Den nya studien bygger på detta arbete och sammanför aerodynamiska studier med 3D-printade modeller av måsar och måsvingar i en vindtunnel, med datormodellering av tröghetskrafter för att förstå hur måsar uppnår stabilitet längs sin långa axel (fallande eller stigande).

Måsar kan justera hur de reagerar på störningar i den axeln genom att justera handleds- och armbågslederna och förändra vingarnas form, fann de. Teamet kunde förutsäga måsarnas flygegenskaper och hur snabbt de kan återhämta sig från en störning som en vindby. Den reaktionstiden ger också insikter om fågelns "kontrollerbara räckvidd" och hur fågelflygdynamik kan tillämpas på flygplan.

"The flight qualities analysis asks:if you built an aircraft exactly like a gull, would a human be able to fly it?" Harvey said.

As uncrewed aerial vehicles, or drones, become more widely used, they need to be able to navigate complex urban environments, something birds do very well. A deeper understanding of bird flight could help improve drone designs for various uses.

Harvey will be opening her lab at UC Davis this fall. She hopes to collaborate with other campus researchers, including the California Raptor Center and researchers working on insect flight at the College of Biological Sciences.

"There are so many open questions about bird flight," she said, "I'm looking forward to seeing what else is out there to discover." + Utforska vidare

Avian secret:The key to agile bird flight is switching quickly between stable and unstable gliding