آیرودینامیک پرواز پرندگان (بالزن ۴)

ایرفویل پرندگان و حشرات

همانطور که در قسمت های قبل بیان شد، ایرفویل را در اصطلاح پرواز، مقطع بال پرنده می نامند. مقطع بال هواپیماهای ساخت دست بشر عموما از پیچیدگی کمتری برخوردارند. در واقع پیچیدگی ایرفویل و بال پرنده را می توان در سه بخش تقسیم کرد:

شکل خود ایرفویل

پیچش آیرودینامیکی

پیچش هندسی

انعطاف پذیری ایرفویل و بال

شکل خود ایرفویل می تواند پیچیدگی هایی داشته باشد. برای مثال ایرفویلی نازک و با انحنای زیاد در نوع خود پیچیده است زیرا مشکل سازه ای و تحمل بارهای مختلف برای آن مطرح است. همچنین تغییر شکل ایرفویل در راستای بال نیز بر پیچیدگی کار می افزاید. حال اگر به این موضوع پیچش هندسی ایرفویل ها نیز اضافه شود، بالی بسیار پیچیده و در نوع خود منحصر به فرد خواهیم داشت. ساخت چنین بالی توسط بشر علاوه بر سختی در فرایند ساخت، مصالح و اتصالات زیادی می خواهد که در نهایت منجر به سنگینی وزن بال خواهد شد و عملا پرواز را غیر ممکن می کند. تا کنون پرنده های ساخت بشر تا حدودی و نه به طور کامل توانسته اند بالهایی با پیچش آیرودینامیکی و هندسی داشته باشند اما هنوز نتوانسته است با وجود پارامترهای فوق، بالی انعطاف پذیر و متحرک  بسازد. اگرچه برخی دانشمندان تلاشهایی داشته اند و به موفقیتهایی نیز دست یافته اند ولی هنوز در اول راه هستند.

در شکل زیر بال یک هواپیما را با بال یک کبوتر معمولی در مقاطع مختلف بالشان مقایسه کرده است. همانطور که مشاهده می شود بال کبوتر در عین حالی که ایرفویلی با شکل پیچیده دارد، پیچش آیرودینامیکی و هندسی را توامان داراست. به همراه همه اینها انعطاف و تغییر شکل پذیری ایرفویل پرنده نکته تامل برانگیز خلقت آن است. این در حالیست که بال یک هواپیمای معمولی که ساخته دست بشر است، هیچ کدام از این پیچیدگی ها را ندارد:

مقایسه ایرفویل ها در مقاطع مختلف بال

نکته بعدی در بال پرندگان این است که میزان انحنای ایرفویل در ریشه بال آنها به مراتب بیشتر از وسط و نوک بال است. همچنین ضخامت بال نیز از ریشه تا نوک کاهش می یابد به طوری که ضخامت در انتهای بال بسیار ناچیز است. از دلایل مهم شکل این ایرفویلها برای پرندگان، پرواز در رژیمهای مختلف است. یک پرنده باید بتواند در رژیم برخاست، پرواز سیر و فرود توسط بالهای خود به نرم پرواز کند. همچنین سرعت پرواز پرنده نیز از دلایل دیگر این شکل ایرفویل هست. پرندگان عموما در رینولدزهای پایین پرواز می کنند بنابراین باید لیفت کافی را توسط بالهایشان تامین کنند. انحنای ایرفویل خصوصا در ریشه می تواند این امر را میسر سازد. در تصویر زیر برای نمونه، ایرفویل مربوط به بال لاشخور و شاهین را مشاهده می کنید:

بال لاشخور و شاهین

توضیحات فوق مربوط به بال پرندگان بود که در رژیم پروازی با رینولدزی حدود 50 هزار و بیشتر پرواز می کنند. اما مبحث ایرفویل در دنیای حشرات، متفاوت از پرندگان است. پرندگان به دلیل ابعاد کوچک در رینولدزهای بسیار کمتری (حدود 5000) پرواز می کنند. در نگاه اول ایرفویل که در بال حشرات تصور می شود مثل یک صفحه تخت است. به عبارت دیگر بال حشره تشکیل شده از یک صفحه با شکل هندسی خاص، اما واقعیت این است که نه تنها بال حشرات صفحه ای نیست، بلکه دارای انعطاف نیز هست. برای مثال ایرفویل بال سنجاقک را در زیر می بینید که چگونه دارای شکستگی هایی است:

مقطع بال سنجاقک

در پژوهشی که توسط ماساتوشی تامای که در یک آکادمی تحقیقاتی چینی صورت گرفته است، ایرفویل سنجاقک را با ایرفویل صفحه تخت و یک ایرفویل به نام GA(w)-1  مقایسه کرد و به نتایج جالبی رسید.

مقایسه سه ایرفویل

این تحقیق در رینولدز 34 هزار انجام شد و در زاویه حمله های مختلف صورت گرفت. او در نهایت بیان کرد که  جریان حول ایرفویل سنجاقک، بهترین رفتار را در جلوگیری از جدایش جریان و واماندگی از خود نشان داده است و این الگو از ایرفویل می تواند برای سازندگان پرندگان بالزن (MAV) در دستور کار قرار گیرد.

جریان حول ایرفویل بال سنجاقک

همانطور که در تصویر فوق مشاهده می کنید، گردابه های که در شکافهای ایرفویل سنجاقک ایجاد شده، باعث ایجاد یک پروفیل ایرفویلی ضخیم می شود.

به هر حال ایرفویل حشرات در عین پیچیدگی هایی که دارد بسیار سبک است. اگر در بال یک حشره نوعی دقیق شویم خواهیم دید که صفحه بال از مویرگهایی تشکیل شده است که در عین زنده نگهداشتن عضو حشره، باعث تقسیم بندی بال به چندین سطح ریزتر و قابلیت انعطاف پذیری بیشتر می شوند.

لبه حمله بال حشره از اهمیت بیشتری برخوردار است

اما توجه اصلی به ایرفویل حشرات باید به لبه حمله آن باشد جایی که یک مویرگ اصلی و بزرگ وجود دارد و به مثابه استخوانبندی بال به حساب می آید. در واقع این ساختار در لبه حمله بعنوان بازوهای اصلی پرنده به ماهیچه ها متصل شده و کل سازه بال را به حرکت در می آورد. در این حرکت صفحه بال حول لبه حمله که در حال نوسان است، منعطف شده و تغییر شکل می دهد و اینچنین ایرفویل شگفت انگیزی، با سازه ای بسیار سبک و پیچیده وظیفه خود را به نحو احسن انجام می دهد.

با توجه به این سازه پیچیده و سبک، طراحان ریزپرنده بالزن ترجیح می دهند سازه انعطاف پذیر خود را در قالب یک صفحه صاف و تنها با چند رگه انعطاف طراحی کنند. برای مثال بال ریز پرنده که در تصویر زیر می بینید از همین الگو الهام گرفته است:

نمونه یک ربات بالزن بسیار کوچک