De bästa vingformerna, som den som visas ovan, finns att göra starka virvlar vid bakkanten som inte stördes av virvlarna som genererades vid framkanten. Bilden är från ett experiment som avslöjar idealiska flygplansformer för flaxande flygning, med flödena som genereras vid den främre delen av vingen [röd] och den bakre [grön] visualiseras med fluorescerande färgämnen. Upphovsman:The Applied Math Lab, NYU:s Courant Institute of Mathematical Sciences
Ett team av matematiker har bestämt den perfekta vingformen för snabb flaxande flygning - en upptäckt som ger lovande för bättre metoder för att skörda energi från vatten och för att öka lufthastigheten.
Arbetet, som visas i journalen Förfaranden från Royal Society A , förlitar sig på en teknik som efterliknar evolutionär biologi för att fastställa vilken struktur som ger bäst tempo.
"Vi kan simulera biologisk utveckling i laboratoriet genom att generera en population av vingar av olika former, få dem att tävla om att nå ett önskat mål, I detta fall, fart, och sedan ha de bästa vingarna 'ras' för att göra relaterade former som gör det ännu bättre, säger Leif Ristroph, en biträdande professor vid New York University's Courant Institute of Mathematical Sciences och tidningens seniorförfattare.
Vid dessa bestämningar, forskarna genomförde en rad experiment i NYU:s Applied Math Lab. Här, de skapade 3D-tryckta vingar som klaffas mekaniskt och tävlas mot varandra, med vinnarna "avel" via en evolutionär eller genetisk algoritm för att skapa allt snabbare flygblad.
För att efterlikna denna avelsprocess, forskarna började experimentet med 10 olika vingformer vars framdrivningshastigheter mättes. Algoritmen valde sedan par av de snabbaste vingarna ("föräldrar") och kombinerade deras attribut för att skapa ännu snabbare "döttrar" som sedan 3D-trycktes och testades. De upprepade denna process för att skapa 15 generationer vingar, med varje generation som ger avkommor snabbare än den föregående.
"Denna" överlevnad av den snabbaste "processen upptäcker automatiskt en snabbaste tårformad vinge som mest effektivt manipulerar flöden för att generera dragkraft, "förklarar Ristroph." Vidare, eftersom vi utforskade en mängd olika former i vår studie, Vi kunde också identifiera exakt vilka aspekter av formen som var mest ansvariga för de snabbaste vingarnas starka prestanda. "
Deras resultat visade att den snabbaste vingformen har en rakknivstunn bakkant, vilket hjälper till att generera starka virvlar eller virvlande flöden under flax. Vingen lämnar ett spår av dessa virvlar när den trycker av vätskan för att driva framåt.
"Vi ser arbetet som en fallstudie och proof-of-concept för en mycket bredare klass av komplexa tekniska problem, särskilt de som involverar objekt i flöden, som att effektivisera formen för att minimera drag på en struktur, "observerar Ristroph." Vi tror att detta kan användas, till exempel, för att optimera formen på en struktur för att skörda energin i vattenvågor. "
