Nauka dla Społeczeństwa

20.04.2024
PL EN
26.01.2024 aktualizacja 30.01.2024

Japończycy pracują nad odrzutowcami cichymi jak sowy

Fot. Adobe Stock Fot. Adobe Stock

Naukowcy odkryli mechanizmy, które sprawiają, że sowy latają bezszelestnie, i chcą wykorzystać wyniki badań w projektowaniu cichych samolotów.

„Ptak to instrument działający zgodnie z prawami matematyki. Człowiek jest zdolny odtworzyć jego ruchy“ – zapowiadał Leonardo Da Vinci, jeden z pionierów inżynierii lotniczej. Ludzie zaczęli budować maszyny latające, zainspirowani ptasim lotem. Dzisiejsze samoloty poruszają się kilkaset lub kilka tysięcy km/h (samolot Lockheed SR-71 Blackbird osiągnął w 1976 r. ponad 3500 km/h), czyli kilka lub kilkadziesiąt razy tyle, co najszybszy ptak (sokół wędrowny osiąga w locie poziomym 110 km/h i 180 km/h podczas pikowania).

Zbudowane przez człowieka maszyny są też jednak o wiele głośniejsze niż ptaki. Na głośność samolotów składają się hałas silnika i hałas aerodynamiczny. Silniki odrzutowców podczas startu hałasują na poziomie 140 dB, znacznie powyżej bezpiecznej dla ludzi granicy 85 dB. Inżynierowie coraz lepiej radzą sobie z wyciszaniem silników, jednak metody tłumienia hałasu aerodynamicznego są wciąż mało skuteczne.

W tej kwestii inspiracją dla ludzi także są ptaki. Mistrzami cichego lotu są sowy, które tej umiejętności zawdzięczają m.in. wyjątkową skuteczność polowania. Uderzające w powietrze skrzydła innych ptaków wydają zwykle szum, świst lub furkot. Sowy lecące z podobną prędkością powodują hałas o co najmniej 18 dB mniejszy, więc mogą precyzyjnie zlokalizować ofiarę np. pod śniegiem, a potem bezszelestnie zbliżyć się do niej na wyciągnięcie szponów. Nic dziwnego, że naukowców od dawna interesują mechanizmy, które sprawiają, że puszczyki, pójdźki lub uszatki poruszają się w powietrzu niemal bezgłośnie.

Budowę sowich skrzydeł badano już w latach 30. XX w. Naukowcy stwierdzili wówczas, że za wytłumienie dźwięku odpowiadają: krótki puch pokrywający chorągiewki piór oraz grzebyki na brzegach zewnętrznych chorągiewek skrajnych lotek pierwszorzędowych na przedniej krawędzi skrzydła (zwanej krawędzią natarcia). Ważne są też frędzelki na brzegach lotek i sterówek na tylnych krawędziach (krawędziach spływu) skrzydeł i ogona.

Właśnie rolę tych frędzli postanowił zbadać zespół pod kierownictwem prof. Hao Liu, eksperta w dziedzinie biomechaniki na Wydziale Inżynierii Uniwersytetu Chiba (Japonia). Badacze z tamtejszego Center for Aerial Intelligent Vehicles (Centrum Inteligentnych Statków Powietrznych) wykorzystują bionikę – kopiowanie rozwiązań technicznych i technologicznych wykorzystywanych przez organizmy. Wyniki ich prac nad tajemnicą cichego lotu sów zostały opublikowane w czasopiśmie „Bioinspiration & Biomimetics”.

Z wcześniejszych badań wynikało już, że to frędzelki na krawędzi spływu odgrywają kluczową rolę w tłumieniu hałasu zagarniających powietrze sowich skrzydeł. Jednak dotąd naukowcy nie odkryli dokładnego mechanizmu odpowiadającego za to zjawisko.

Zespół prof. Liu stworzył dwa trójwymiarowe modele skrzydła sowy. Na jednym z modeli umieszczono frędzelki, na drugim nie. Oba zostały wykorzystane w symulacjach przepływu (analiza mechaniki płynów to narzędzie wykorzystywane w ocenie aerodynamiki). W badaniu zastosowano symulację dużych wirów turbulentnych (LES) i metodę Ffowcs-Williams-Hawkings, służące do analiz akustycznych.

Doświadczenia potwierdziły, że frędzelki zmniejszyły hałas wytwarzany przez skrzydła – szczególnie przy dużych kątach natarcia – bez osłabiania ich wydajności aerodynamicznej. Naukowcy z Uniwersytetu Chiba stwierdzili, że frędzle rozbijają na brzegach lotek i sterówek wiry powietrza generujące dźwięk. Okazało się też, że te struktury tłumią również „hałaśliwe" turbulencje na krawędziach spływu.

„Nasze odkrycie wskazuje na efekt złożonych interakcji między frędzelkami na brzegach lotek i sterówek a innymi elementami skrzydeł. To dowodzi zasadności wykorzystania takich struktur do redukcji hałasu na przykład w dronach, turbinach wiatrowych, wentylatorach albo samolotach" – wyjaśniał prof. Liu. I dodał, że dzięki wynikom badań jego zespół jest coraz bliżej opracowania rozwiązań, które będzie można zastosować w cichych statkach powietrznych.(PAP)

Nauka  w Polsce, Anna Bugajska

abu/ agt/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024