การบินและระบบขับเคลื่อนของเครื่องบิน

รายงานการทดสอบโดยนักชีวกลศาสตร์ Frank Fish แห่ง West Chester University, Penn., Laurens Howle วิศวกรพลศาสตร์ของไหลแห่ง Pratt School of Engineering แห่ง Duke University และ David Miklosovic และ Mark Murray แห่ง US Naval Academy พวกเขารายงานการค้นพบของพวกเขาใน Physics of Fluids ฉบับเดือนพฤษภาคม 2547 ซึ่งตีพิมพ์ล่วงหน้าทางออนไลน์เมื่อวันที่ 15 มีนาคม 2547 ในการศึกษาของพวกเขา ทีมงานได้สร้างแบบจำลองขนาดความสูงประมาณ 22 นิ้วของครีบหน้าอกหลังค่อมขึ้นมาสองแบบ โดยแบบหนึ่งมีลักษณะการกระแทกที่เรียกว่า tubercles และอีกแบบไม่มี หุ่นจำลองผลิตจากโพลีคาร์บอเนตใสหนาที่ Duke University การทดสอบดำเนินการในอุโมงค์ลมความเร็วต่ำแบบวงจรปิดที่ US Naval Academy ในเมืองแอนนาโพลิส รัฐแมริแลนด์ ประสิทธิภาพของตีนกบที่โฉบเฉี่ยวคล้ายกับปีกเครื่องบินทั่วไป แต่ตีนกบทูเบอร์เคิลแสดงคุณสมบัติการยกที่ดีกว่าเกือบ 8 เปอร์เซ็นต์ และทนทานต่อคอกที่มุมลมชันกว่า 40 เปอร์เซ็นต์ ทีมงานรู้สึกประหลาดใจเป็นอย่างยิ่งที่พบว่าตีนกบที่มี tubercles ทำให้เกิดการลากที่ต่ำกว่าถึง 32 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับตีนกบแบบเพรียวบาง Howle อธิบาย "ความสำเร็จที่เพิ่มขึ้นพร้อมกันของแรงยกที่เพิ่มขึ้นและแรงต้านที่ลดลงส่งผลให้ประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์เพิ่มขึ้น" ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับแอโรไดนามิกของตีนกบวาฬหลังค่อมนี้มีความหมายต่อการออกแบบปีกเครื่องบินและยานพาหนะใต้น้ำ แรงยกที่เพิ่มขึ้น (แรงยกขึ้นบนปีกเครื่องบิน) ที่มุมลมที่สูงขึ้นจะส่งผลต่อความง่ายในการขึ้นบินของเครื่องบิน และช่วยให้นักบินลดความเร็วลงระหว่างการลงจอด ความต้านทานต่อคอกที่ดีขึ้นจะเพิ่มความปลอดภัยใหม่ให้กับการบินของ เครื่องบิน และทำให้เครื่องบินมีความคล่องตัวมากขึ้น การลาก - แรงด้านหลังบนปีกเครื่องบิน - ส่งผลต่อปริมาณเชื้อเพลิงที่เครื่องบินต้องใช้ระหว่างการบิน คอกเกิดขึ้นเมื่ออากาศไม่ไหลอย่างราบรื่นเหนือปีกด้านบนอีกต่อไป แต่แยกออกจากส่วนบนของปีกก่อนถึงขอบท้าย เมื่อปีกเครื่องบินหยุดนิ่ง มันจะสูญเสียแรงยกอย่างมากในขณะที่เกิดการลากเพิ่มขึ้น เมื่อวาฬเคลื่อนตัวผ่านน้ำ ตุ่มจะทำลายแนวแรงดันต่อขอบตีนกบ แถวของทูเบอร์เคิลจะกั้นการไหลของน้ำและเปลี่ยนเส้นทางไปยังหุบเขาที่มีสแกลลอประหว่างทูเบอร์เคิลแต่ละอัน ทำให้เกิดกระแสน้ำวนหมุนวนที่ม้วนขึ้นเหนือฟลิปเปอร์เพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการยก ฮาวล์กล่าวว่า "กระแสน้ำวนที่หมุนวนทำให้เกิดโมเมนตัมในการไหล" "การฉีดโมเมนตัมนี้ช่วยให้การไหลติดกับพื้นผิวด้านบนของปีกและถ่วงเวลาให้มุมลมสูงขึ้น" “การค้นพบนี้มีศักยภาพในการใช้งานไม่เพียงแต่กับปีกเครื่องบินเท่านั้น แต่ยังใช้กับส่วนปลายของใบพัดเฮลิคอปเตอร์ ใบพัดเครื่องบิน และหางเสือของเรือด้วย” ฮาวล์กล่าว จุดประสงค์ของตุ่มบนขอบตีนกบของวาฬหลังค่อมเป็นที่มาของการคาดเดามาระยะหนึ่งแล้ว ฟิชกล่าว “แนวคิดที่พวกเขาปรับปรุงแอโรไดนามิกของฟลิปเปอร์นั้นสวนทางกับหลักคำสอนเรื่องไดนามิกส์ของไหลในปัจจุบันของเรามาก ไม่มีใครเคยวิเคราะห์พวกมันมาก่อน” เขากล่าว วาฬหลังค่อมเคลื่อนไหวในน้ำด้วยความว่องไวอย่างน่าประหลาดใจสำหรับสัตว์ขนาด 44 เท้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันกำลังล่าอาหาร เมื่อหายใจออกใต้น้ำขณะที่มันหมุนเป็นวงกลม วาฬจะสร้างผนังทรงกระบอกฟองอากาศที่ต้อนฝูงปลาตัวเล็กเข้าไปข้างใน จากนั้นพวกมันก็พุ่งขึ้นไปตรงกลางของ "ตาข่ายฟอง" ซึ่งอ้าปากกว้างเพื่อตักเหยื่อ ปลาฉลามหัวค้อนสแกลลอปเป็นสัตว์ทะเลชนิดเดียวที่มีการออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์คล้ายกัน หัวฉลามหัวฆ้อนที่ขยายออกอาจทำหน้าที่เหมือนปีก เคล็ดลับในตอนนี้คือการหาวิธีนำข้อได้เปรียบของ tubercle flipper มาใช้ในการออกแบบที่มนุษย์สร้างขึ้น Fish กล่าว ขณะนี้ทีมวิจัยวางแผนที่จะดำเนินการตรวจสอบทางวิศวกรรมอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับบทบาทของขอบนำแบบสแกลลอปต่อการเพิ่มการยก การลดแรงลาก และความล่าช้าของคอก