Группа исследователей изучила волнообразные колебания тела украшенной древесной змеи, чтобы спроектировать роботов, имитирующих движения рептилии. Посредством компьютерного моделирования ученые выяснили особенности подъемной силы у этих животных, что позволит улучшить конструкцию длинных и гибких летательных аппаратов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Fluids.
Украшенные древесные змеи — представители семейства ужеобразных, которые способны к планирующему полету. Рептилии, чье длинное и тонкое тело имеет длину от 60 см до 1,5 м, могут передвигаться с ветки на ветку короткими прыжками или совершать «полет» на расстояние до 10 м. Чтобы достичь нужного места, змея сворачивается спиралью и затем, резко развернувшись, бросается в воздух. Особенности строения позволяют рептилии сплющивать тело во время перемещения, благодаря чему достигается лучший аэродинамический эффект.
Ученые предположили, что биология змей могла бы помочь сконструировать более продвинутых летающих роботов. Научная команда решила применить высокоскоростную видеосъемку, позволяющую не упустить важных деталей в наблюдении за змеями. Собрав необходимые данные, авторы проекта создали модель, чтобы понять, как «воздушная волнистость» рептилии обеспечивает ее подъемную силу. Исследователи считают, что форма тела змеи, напоминающая в поперечном разрезе фрисби, является ключевым моментом. Фрисби вращается за счет того, что вращение диска повышает давление под ним, из-за чего предмет поднимается в воздух. Ради достижения подобного эффекта змея изгибается из стороны в сторону, обеспечивая низкое давление над спиной и высокое давление под животом. Это приводит к перепаду давления, что и позволяет рептилии скользить в воздухе.
Горизонтальные колебания змеиного тела производят серию вихревых структур — вихри передней и задней кромки. Вихри передней кромки, которые возникают у головы и движутся вдоль тела, дольше остальных удерживаются на изгибах тела змеи, прежде чем сбрасываются. Поскольку они формируются вследствие «воздушной волнистости», это явление имеет важность для представления о подъемном механизме змеи.
При расчетах специалисты учли такие характеристики, как угол набегающего потока и частота движения змеи, и выяснили, что слишком интенсивные волнообразные колебания снижают аэродинамические свойства ее тела. «Общая тенденция, которую мы наблюдаем, заключается в том, что увеличение частоты приводит к нестабильности вихревой структуры, вызывая вращение вихревых трубок. Вращающиеся вихревые трубки имеют тенденцию отрываться от поверхности, что приводит к уменьшению подъемной силы», — утверждает Хай Бо Дун, профессор из Университета Вирджинии.
Исследователи полагают, что их результаты помогут еще лучше изучить скользящее движение и разработать оптимальную конструкцию роботов-змей.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
