Sowy podczas lotu wytwarzają znikomy hałas. Chociaż wiele badań powiązało mikrofrędzle na skrzydłach sów z ich cichym lotem, dokładne mechanizmy pozostają niejasne. Teraz zespół naukowców odkrył wpływ tych mikroprążków na dźwięk i właściwości aerodynamiczne skrzydeł sów za pomocą obliczeniowych symulacji dynamiki płynów. Ich odkrycia mogą zainspirować projekty biomimetyczne do opracowania cichych maszyn do płynów.
Sowy to fascynujące stworzenia, które potrafią cicho latać w najcichszych miejscach. Ich skrzydła nie wydają żadnego dźwięku podczas lotu, co pozwala im dokładnie zlokalizować ofiarę, korzystając z wyjątkowej zdolności słyszenia, pozostając jednocześnie niewykrytymi. Ta wyjątkowa zdolność zależy od wielu czynników i od dawna jest gorącym przedmiotem badań.
Badania wykazały powiązanie między zdolnością do cichego latania a obecnością mikrofrędzli na skrzydłach sów. Te prążki na krawędzi spływu (TE) odgrywają kluczową rolę w tłumieniu hałasu wytwarzanego przez ruch powietrza wywołany klapami skrzydeł.
Badanie tych prążków może doprowadzić do opracowania obiecujących metod redukcji hałasu powodowanego przez maszyny przepływowe. Chociaż w wielu badaniach oceniano te prążki przy użyciu płaskich płytek i płatów, ich dokładne mechanizmy i wpływ na interakcje piór i różne cechy skrzydeł prawdziwych skrzydeł sowy pozostały nieznane.
Aby odkryć tajemnice cichych skrzydeł sów, profesor Hao Liu wraz ze swoimi kolegami, w tym dr Jaixinem Rongiem z Graduate School of Engineering oraz dr Yajun Jiang i dr Masashi Murakami z Graduate School of Science na Uniwersytecie Chiba w Japonii, zbadał jak prążki TE wpływają zarówno na dźwięk, jak i właściwości aerodynamiczne skrzydeł sowy.
Zapytany o motywację badań profesor Liu odpowiada: „Pomimo wielu wysiłków wielu badaczy, dokładny sposób, w jaki sowy osiągają cichy lot, pozostaje kwestią otwartą. Zrozumienie dokładnej roli prążków TE w ich cichym locie umożliwi nam zastosowanie je w opracowywaniu praktycznych, cichych maszyn do płynów.” Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Bioinspiration & Biomimetics 17 listopada 2023 r.
Aby zrozumieć, jak działają skrzydła sowy, zespół skonstruował dwa trójwymiarowe modele prawdziwego skrzydła sowy – jeden z prążkami TE, a drugi bez – ze wszystkimi jego cechami geometrycznymi. Wykorzystali te modele do przeprowadzenia symulacji przepływu płynu, łącząc metody symulacji dużych wirów i analogię Ffowcsa-Williamsa-Hawkingsa. Symulacje przeprowadzono przy prędkości szybującego lotu prawdziwej sowy.
Symulacje wykazały, że prążki TE zmniejszają poziom hałasu skrzydeł sów, szczególnie przy dużych kątach natarcia i utrzymują właściwości aerodynamiczne porównywalne ze skrzydłami sów bez frędzli. Zespół zidentyfikował dwa uzupełniające się mechanizmy, poprzez które prążki TE wpływają na przepływ powietrza. Po pierwsze, prążki zmniejszają wahania przepływu powietrza, rozbijając wiry na krawędzi spływu. Po drugie, zmniejszają interakcje przepływu między piórami na końcach skrzydeł, tłumiąc w ten sposób powstawanie wirów na końcach skrzydeł. Synergistycznie mechanizmy te wzmacniają działanie prążków TE, poprawiając zarówno wytwarzanie siły aerodynamicznej, jak i redukcję hałasu.
Podkreślając znaczenie tych wyników, profesor Liu mówi: „Nasze odkrycia pokazują wpływ złożonych interakcji pomiędzy prążkami TE i różnymi elementami skrzydeł, podkreślając zasadność wykorzystania tych prążków do redukcji hałasu w zastosowaniach praktycznych, takich jak drony, turbiny wiatrowe , śmigła, a nawet latające samochody.”
Ogólnie rzecz biorąc, badanie to pogłębia naszą wiedzę na temat roli prążków TE w cichym locie sów i może zainspirować projekty biomimetyczne, które mogą doprowadzić do opracowania cichych maszyn płynnych.