解码蝴蝶飞行与高速摄像机和风洞
流体动力学帮助显示为什么蝴蝶
在炎热的夏天,隆德大学生物学家christof约翰逊和每Henningsson涉水通过草地和野花的草地附近学校的领域站在瑞典。他们安静地,故意向短暂cantaloupe-colored昆虫的颤振,准备收集用软布网。
捕获的silver-washed贝母蝴蝶远不止是一个夏天的爱好约翰逊和Henningsson。他们用慢动作的摄像机和高速流测量来确定是什么让这些蝴蝶他们不同的飞行模式。这一发现不仅有助于科学家更好地理解这种昆虫的生活但也可以帮助下一代无人机的设计。
确定是什么让这些蝴蝶截然不同的飞行模式也可以帮助下一代无人机的设计。
这个工作并不是那么容易,约翰逊说,召回残酷的热量在草原狩猎或疯狂的搜索夺回标本在他们实验风洞,但总是很有趣。
“我们通常花大部分的时间在实验室,”约翰逊说。”在这种情况下,我们实际上花了几天在草地,捕捉蝴蝶…但我想说最有趣的和令人沮丧的是在实际的风洞实验。即使我们把蝴蝶在一个特定的位置上,一旦起飞,它可以快速移动隧道和消失,再次出现在头部的人员。”
君主神秘
蝴蝶会飞在花朵之间不仅在短时间,但也在持续的长距离迁徙的航班。君主的迁移,例如,从美国到墨西哥超过4800公里(3000英里)的一种方法。
这不是唯一让蝴蝶飞不寻常,约翰逊说。他们也有身体size-to-wing比率与其他昆虫,带有很大的翅膀的小体型。
约翰逊和他的同事们希望提供新的数据来帮助回答这个问题的蝴蝶飞行力学,研究人员难以理解了将近50年。
“蝴蝶是极端与其他飞行动物相比,”约翰逊说。“他们有一个非常低的翼载荷和低比例的翅膀,这意味着本质上是大的翅膀,短,和广泛的与其他飞行动物相比。”
蝴蝶起飞重量与向下的用于支持和用于产生推力的一击。金宝app(图片来源:l·c·约翰逊和p . Henningsson)
在1970年代,科学家们推测,蝴蝶可能实现这一多用途创建一个飞机飞行的空气一起鼓掌时翅膀的顶部的一击来推动他们前进。然而,研究人员已经证实这种机制挣扎了近50年,因为量化自由飞行活动,而不是受飞行在实验室条件下,是说起来容易做起来难。在他们的研究中,约翰逊和Henningsson提供新的数据来帮助回答这个问题的蝴蝶飞行力学和理解它如何可以用于其他应用程序。
”通常很难想象基础研究是用于最后,但在这种情况下,直接应用于无人机,”约翰逊说。“有今天无人机飞行使用一个鼓掌机制产生力量。他们可能是有趣的看着这提出蝴蝶机制来提高无人机机翼的灵活性和最大化的效率和力量鼓掌。”
捕捉蝴蝶飞行
研究小组介绍六silver-washed贝母蝴蝶循环风洞隆德大学,用蜂蜜水喂吸引昆虫起飞。这个风洞是独一无二的。最初构建研究鸟类飞行。一个大风扇的隧道空气循环以每秒2米(4.5英里)太容易防止蝴蝶飞离团队的测量设置。
团队使用四个高速摄像机记录的空气运动造成的蝴蝶和另两个摄像头捕捉蝴蝶的运动。流量测量技术,称为层析粒子图像测速技术显现,使研究人员能够创建一个3 d模型的流体流动;团队可以研究空气动力了解蝴蝶的翅膀推动他们的飞行。在这个研究中,重点是风时创建的飞机蝴蝶拍拍翅膀。
微小气溶胶粒子,只有1微米大小,悬浮在风洞。高速摄像机捕捉这些粒子的运动的蝴蝶飞过他们的表被激光。总共25序列捕获的团队各有1至3个的拍动。
约翰逊说,研究小组利用MATLAB®为数据分析,包括使用他设计一个用户界面进行矢量分析研究流体动力学的蝴蝶飞行。
“我们的研究领域是要求技术和数值,并没有单一的软件可以做所有我们想要分析的方式,”约翰逊说。“因此,我们需要创建的大多数代码自己。”
MATLAB是,到目前为止,我们在这个项目中最有用的工具。”
christof约翰逊,隆德大学的生物学家
期间产生的推力的一击和拍一只蝴蝶飞在大约2 ms1。(图片来源:l·c·约翰逊和p . Henningsson)
“MATLAB用于可视化流和阴谋的结果的实验,“Sagar说Zade MathWorks教育客户成功工程师。
约翰逊和Henningsson还使用MATLAB计算空气动力学,确定气动阀瓣的力量,使用蒙特卡罗模拟和估计的背景。
“这些实验的结果发现极有价值的未来研究人员想利用MATLAB数值模型使用复杂的纳维斯托克斯方程,流体动力学”Zade补充道。
除了测量喷气流由蝴蝶的飞行,翅膀的团队分析了形态学致力于创建一个凹的形状向上中风改善这些飞机。他们用这些数据来创建机械蝴蝶翅膀隔离的影响上的灵活的翅膀和凹的形状表现鼓掌。
约翰逊说,这些机械翅膀很简单,直角三角形的巴尔杉木和乳胶膜由伺服控制引擎和Arduino®董事会。一个铰链的翅膀让他们一起旋转和鼓掌。柔性膜形成一个凹的形状在鼓掌,而木材不僵硬,允许性能比较和调查的凹的形状的影响。之间的生物学家在隧道工作和实验室的工作机械翅膀,约翰逊说,他们获得了一些关键的见解蝴蝶飞行的动力学,以及它如何可能被重新创建。一项发现,他说,是一个灵活的翼膜优于轻翼在鼓掌的冲动和效率25%。他们还确定,一只蝴蝶的一击,向下飞行中有两个独特的目的。
“向下产生垂直力,一击和拍产生推力,”约翰逊说。“与大多数飞行,垂直力主导。在这种特殊情况下,垂直力的9.4倍推力。”
柔性翼改善翼拍的力量和效率。(图片来源:l·c·约翰逊和p . Henningsson)
团队的研究结果发表在了杂志上的皇家学会界面。
因为约翰逊和Henningsson没有正式的培训在MATLAB中,约翰逊说,软件的可访问性,灵活性,和易用性是巨大的资产这项工作。
MATLAB是,到目前为止,我们在这个项目中最有用的工具,”约翰逊说。
除了蝴蝶
成功后,使用这种方法来捕捉蝴蝶飞行,约翰逊有兴趣看到它更普遍适用于模型飞机在其他生物,从鸟类和蝙蝠微生物。
自然已经完善飞行更长时间比任何人类。通过研究这些生物的各种方式实现这一目标,工程师可以建造更有效和动态飞行或甚至swimming-drones。这些无人机总有一天会把食品送到你的前门或垂直研究海洋生物。
“这是表明蝴蝶使用书中飞行的技巧,”约翰逊说。“有很多要做的研究找出如果这是真的,不同条件下如何影响这些机制。”
