Fåglar har inspirerat människors flykt i århundraden, men Shabnam Raayai tror att de också kan erbjuda lektioner i att minska energiförbrukningen.
En stipendiat vid Rowland Institute vid Harvard, Raayai arbetar med att extrahera fysik med praktiska tillämpningar från naturfenomen, oavsett om det är flygande fåglar eller hajfjäll. Med hjälp av de V-formade flygformationerna av flyttfåglar har Raayais team avslöjat nya insikter om hur flygningen av obemannade flygfarkoster, som drönare, kan utformas för att ge längre livslängd för kraftkällor.
Resultaten skulle också kunna tillämpas på alla typer av kollektiva rörelser genom medium, från fordon som rör sig under vatten till hur vegetationsfläckar kan ordnas för översvämningskontroll. Forskningsartikeln, med titeln "Impact of bio-inspired V-formation on flow past arrangement of non-lifting objects," publiceras i tidskriften Physics of Fluids .
Forskning om gruppflygsoptimering är inte ny, men de flesta sådana experiment har fokuserat på flygplan med fasta vingar, där mekanisk lyftning genereras av vingarnas form, säger forskarna. Mindre är känt om "icke-lyftande" delar av fordon, som karosser av små propellerfarkoster, som blir allt viktigare i industriella och militära miljöer. "Vad händer om våra enheter eller fordon inte har fasta vingar?" sa Raayai. "Hur förändras flödesfysiken?"
Att besvara dessa frågor krävde en kreativ experimentell uppställning som tog hänsyn till både mätnoggrannhet och kostnadseffektivitet. Med hjälp av en vattentunnel och cylindrar för att representera fordon under flygning använde teamet en teknik som kallas partikelbildhastighet för att mäta flödesfältet runt varje objekt. En enda laser och fyra skärande ljusark skapade ett fullt upplyst utrymme, där forskarna använde höghastighetsbilder för att fånga hur olika arrangemang påverkade varje objekts motstånd. Eftersom vatten och luft båda är newtonska vätskor tillåter enkla beräkningar extrapolering till en mängd olika tillämpningar.
Bland deras observationer:I en konfiguration fann de en 45 % minskning av motståndet för andra radens medlemmar bakom ledaren, och ytterligare en fördel för ledaren. Dessa fördelar minskade när vinkeln på V:n blev bredare, enligt uppgifterna.
Raayai betonade att mätningarna är en baslinje med principer från vilka olika forskare eller industrier kan tillämpa sina egna parametrar för optimering. "Optimering har flera vägar, beroende på vad du vill göra," sa hon. "Vill du att alla dina sju medlemmar ska använda samma mängd batteri mellan punkt A till punkt B? Om så är fallet måste du hitta ett sätt att byta medlemmars position under hela flygningen."
I slutändan vill Raayai hjälpa till att skapa en väg mot koldioxidutsläpp genom att erbjuda nya sätt att minska energiförbrukningen och gå mot elektrifiering. Och naturen har ett sätt att knuffa henne.
"Många djur väljer att manövrera i grupper, och det är fördelaktigt för dem - de som går och de som simmar eller flyger", sa hon.
Mer information: Prasoon Suchandra et al, Inverkan av bioinspirerad V-formation på flöde förbi arrangemang av icke-lyftande föremål, Physics of Fluids (2024). DOI:10.1063/5.0186287
Journalinformation: Fysik av vätskor
Tillhandahålls av Harvard University
Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.
