Coraz bliżej odrzutowce ciche niczym ptaki

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

Czemu sowy latają cicho?

.„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.

Japoński zespół odtwarza budowę skrzydeł sowy

.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.

Czego mogą nauczyć nas zwierzęta?

.Na ten temat pisze we „Wszystko co Najważniejsze” Ewa J. Godzińska, zauważając, że wielw cech uważanych za „ludzkie” możemy zaobserwować także u zwierząt.

„Jednym z najważniejszych fundamentów życia społecznego jest ofiarność, czyli gotowość do wyświadczania innym przysług mimo związanego z tym ryzyka, czasem nawet za cenę życia. Altruizm to działania, które przynoszą korzyści innym osobnikom, ale dla altruisty wiążą się z ponoszeniem strat lub przynajmniej ze znacznym tego ryzykiem. Istnieje nawet zjawisko altruistycznego samobójstwa. U niektórych gatunków mszyc osobniki specjalizujące się w obronie kolonii, tak zwani żołnierze, poświęcają życie, by bronić swoje towarzyszki przed wrogami naturalnymi. Gdy napastnik (zwykle gąsienica) uszkodzi zamieszkiwaną przez mszyce galasówkę, żołnierze naprawiają to uszkodzenie za pomocą szybko koagulującej cieczy wyrzucanej z własnego ciała. Żołnierz miesza tę ciecz odnóżami, by przyspieszyć jej koagulację, a potem ginie powolną śmiercią spowodowaną przez nagłą utratę płynów. Żołnierze golców piaskowych, niewielkich afrykańskich ssaków prowadzących podziemny tryb życia, również często poświęcają życie dla swojej kolonii, ponosząc śmierć podczas obrony swoich pobratymców przed wężami.”

„Ofiarność i gotowość do angażowania się w ryzykowne akcje na rzecz innych osobników nie jest naiwnością, lecz ważnym przystosowaniem. Jest tak dlatego, że dla każdego osobnika ważniejsze od indywidualnego przeżycia jest tzw. dostosowanie łączne, czyli łączna zdolność do przekazania swoich genów kolejnym pokoleniom, niezależnie od tego, czy są one ulokowane w jego własnym ciele, czy też w ciałach innych osobników. Jedną z najważniejszych form altruizmu jest więc nepotyzm, czyli działania przynoszące korzyść krewnym altruisty. Drugim ważnym czynnikiem decydującym o opłacalności zachowań altruistycznych jest gotowość ich beneficjentów do odwzajemniania uzyskanych przysług.”

„W społeczeństwach wielu zwierząt najważniejszą rolę odgrywają samice i często idzie to w parze z ich czołową pozycją w hierarchii dominacji. Zjawisko to, określane czasami jako ginekokracja (rządy kobiet), występuje między innymi w grupach społecznych szympansów bonobo, gatunku bardzo blisko spokrewnionego z człowiekiem. Samce i samice mają oddzielne hierarchie dominacji, lecz samica alfa zawsze dominuje nad samcem alfa i żaden samiec nie ma najmniejszych szans na osiągnięcie wysokiej pozycji w grupie, jeśli nie jest synem wysoko postawionej matki.”

„Możemy stwierdzić, że zachowania społeczne zwierząt i ludzi łączy zaskakująco dużo podobieństw” – podsumowuje autorka. – „Uczy nas to, że mimo ogromnej bioróżnorodności niektóre prawa regulujące zjawiska społeczne obserwowane w świecie istot żywych mają charakter w dużej mierze uniwersalny.”

PAP/Anna Bugajska/Wszystko co Najważniejsze/JT