Voor door mensen gebouwde vliegtuigen is turbulentie een oud en lastig probleem. Een van de eerste geregistreerde menselijke vluchtpogingen, door een 11e-eeuwse monnik genaamd Eilmer, eindigde toen zijn vogelachtige vleugels van hout en leer niet konden omgaan met wat de kroniekschrijver ‘het geweld van de wind en de werveling van de lucht’ noemt. Duizend jaar later blijft hetzelfde fenomeen de lucht- en ruimtevaartindustrie lastig vallen, waardoor de kosten in de vorm van verloren brandstof, verloren lunches, verloren missies en zelfs verloren levens toenemen.

Maar merkwaardig genoeg lijken de vogels die Eilmer inspireerden prima met turbulentie om te gaan. Sommige vogels maken er zelfs misbruik van en gebruiken de energie in onstabiele luchtstromen om zichzelf in de lucht te houden.

In een reeks gesprekken afgelopen maand jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling Fluid Dynamics van de American Physical Society, bood een internationale reeks sprekers aanwijzingen over hoe vogels omgaan met vliegomstandigheden die moderne vliegtuigen uitdagen – laat staan ​​onverschrokken middeleeuwse monniken. Onder de sprekers bevond zich Cyprien de Sepibus, een PhD-student aan de EPFL in Zwitserland die de pelikaanvlucht bestudeert. Pelikanen worden vaak gezien terwijl ze vlak boven het wateroppervlak glijden, en onderzoekers hebben lang aangenomen dat ze voordeel moesten halen uit een bekend fenomeen dat grondeffect wordt genoemd, om de energie te verminderen die ze nodig hebben om in de lucht te blijven.

Het probleem met deze veronderstelling, legde Sepibus uit, is dat wanneer pelikanen het water naderen, ze hun vleugelpunten naar beneden draaien (zie foto hierboven). Deze verandering dwingt de vleugel tot een uitgesproken boog, waardoor het grootste deel te ver weg blijft om het grondeffect te laten optreden. Maar als pelikanen geen gebruik maken van het grondeffect, waarom doen ze dan de moeite om hun vleugeltips te herpositioneren? ‘Het zal wel een reden hebben,’ zei Sepibus.

Om erachter te komen wat die reden is, wendden Sepibus en collega's zich tot een beproefd hulpmiddel voor onderzoek naar de vloeistofdynamica: een windtunnel. Na het testen van verschillende vleugelvormen in de tunnel, ontdekten ze dat een gebogen (anhedrale) vorm de meeste lift geeft wanneer deze op een vaste plaat wordt gemonteerd die de grond simuleert. Dit resultaat is suggestief, zei Sepibus, maar ook beperkt omdat de opstelling niet alle mogelijke interacties tussen de vleugel en het wateroppervlak vastlegt. Hij en zijn begeleider Flavio Noca voeren daarom vervolgexperimenten uit waarbij modelvleugels over het oppervlak van een lange, smalle watertank worden gesleept. Uit hun voorlopige waarnemingen blijkt dat verschillende vleugeltypes het wateroppervlak op verschillende manieren vervormen, wat erop wijst dat pelikanen mogelijk gebruik maken van meer gecompliceerde effecten.

Roodstaartbuizerds kunnen met gemak omgaan met turbulentie...

De sleeptank van Sepibus was niet de enige inventieve experimentele techniek die tijdens de sessie werd getoond. Om te bestuderen hoe duiven de stand van hun staart veranderen als ze landen, Ariane Gayout en haar collega's van de Rijksuniversiteit Groningen bouwden een ‘biohybride’ staart van echte duivenveren en staken deze in een windtunnel. Om te bestuderen hoe lucht tijdens de vlucht rond vleermuisvleugels stroomt, Chintan Panigrahi en collega's van de Johns Hopkins Universiteit in de VS pasten een soortgelijke techniek toe met een echte, ontlede vleermuisvleugel (van een vleermuis die een natuurlijke dood stierf, merkte hij haastig op).

De hoofdprijs voor experimenteel realisme ging echter naar onderzoekers die roofvogels bestuderen. In plaats van zich te concentreren op modelvogels of stukjes echte, Vrishank Raghav van Auburn University overtuigde een echte roodstaartbuizerd, Petey genaamd, om over een rij naar boven gerichte ventilatoren te vliegen. Dit scenario is belangrijk omdat drones met slagvleugels zeer slecht met dit soort turbulentie omgaan; in zijn toespraak liet Raghav een video zien waarin iemand na slechts een paar seconden pathetisch crashte. Petey ging echter met zelfvertrouwen om met de plotselinge opwaartse beweging. “De vogel vliegt er doorheen alsof er niets is gebeurd”, legt Raghav uit.

Gebaseerd op gegevens van vier hogesnelheidscamera's die tijdens elke testvlucht tien punten op Petey volgden, denken Raghav en collega's dat de belangrijkste manier van de vogel om windstoten te verzachten de vleugelstand is. Hun vluchtdynamiekmodel kan echter nog steeds de vliegroute van Petey niet voorspellen bij hoge “windvlaagverhoudingen” (dat wil zeggen wanneer de windsnelheid veel hoger is dan de vliegsnelheid van de vogel).

Het werken met een echt levend dier brengt zowel uitdagingen als voordelen met zich mee. “Er zit veel entropie in deze experimenten,” vertelde Raghav Natuurkunde wereld. Omdat Petey alleen zou vliegen als hij eten aangeboden kreeg, konden de onderzoekers maar zes testvluchten per dag maken. Op sommige dagen lieten ze alles opzetten en kalibreren, zodat Petey kon besluiten dat hij niet geïnteresseerd was. Erger nog, Petey ontwikkelde een verontrustend vermogen om te voorspellen wanneer hij op het punt stond te maken te krijgen met een hoge windvlaag, ondanks de inspanningen van het team om de ventilatorsnelheden willekeurig te bepalen. ‘Wij geloven dat de vogel het heeft geleerd,’ zei Raghav spijtig.

…en steenarenden exploiteren het

Een laatste lezing in de serie ging nog verder in op de echte vogelvluchten. Om te begrijpen hoe vogels omgaan met turbulentie in het wild, Greg Bewley en collega's van de Cornell University, VS, bevestigden versnellingsmeters met GPS aan de ruggen van zes steenarenden en verzamelden gegevens over hun natuurlijke vlucht.

Op basis van de verzonden gegevens van de versnellingsmeter creëerden Bewley en zijn team een ​​waarschijnlijkheidsverdeling van de verschillen in de verticale versnellingen van de adelaars. Toen ze deze gegevens vergeleken met de GPS-bepaalde locaties en weergegevens van de vogels, ontdekten ze lange ‘staarten’ in de waarschijnlijkheidsverdeling die consistent waren met het feit dat de adelaars sterke intermitterende opwaartse windstoten versterkten in plaats van onderdrukten. Hoewel Bewley beweerde dat die van hen de eerste bewijs van vogels die misbruik maakten van turbulentie, suggereerde hij dat dit niet geheel een verrassing was. “Deze [turbulentie] is iets waar deze dieren zich in hebben ontwikkeld”, vertelde hij het publiek.

Helaas stond de aard van het onderzoek Bewley en collega's niet toe om te onderzoeken hoe de adelaars dit doen. (“We kunnen op geen enkele manier onderscheid maken tussen de verschillende soorten gedrag die de vogel vertoont”, merkte hij op.) Dat gezegd hebbende, denken ze dat de adelaars de opwaartse luchtstroom naar beneden duwen en de neerwaartse luchtstroom via hun veren afblazen – een dynamische en asymmetrische reactie die door mensen gebouwde vliegtuigen kunnen dit nog niet nabootsen. Misschien deed de monnik Eilmer het toch niet zo slecht.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/through-turbulent-skies-how-fluid-dynamics-experts-are-uncovering-the-secrets-of-bird-flight/