24 czerwca 2024

 

Biomimetyczne wybrzuszenia na krawędzi natarcia
Długopłetwowiec oceaniczny i konstrukcje inspirowane budową jego płetwy piersiowej: płetwa deski surfingowej (fot. Fluid Earth) i skrzydło paralotni (fot. GIN Gliders)

W technice biomimetyka wykorzystuje przyrodę jako źródło inspiracji, w celu zastosowania rozwiązań opartych na pewnych cechach organizmów żywych w konstrukcjach inżynierskich. Zakłada się, że wnioski wyciągnięte podczas obserwacji przyrody mogą przyczynić się do optymalizacji konstrukcyjnej istniejących rozwiązań lub też wskazać kierunek rozwoju zupełnie nowych koncepcji o atrakcyjnych właściwościach.

Jacek Zbierski

Obserwacja przyrody przyczyniła się w sposób szczególny do powstania i rozwoju takich osiągnięć techniki jak samoloty i łodzie podwodne. Od niepamiętnych czasów z obserwacji lecących ptaków rodziły się marzenia o lataniu. Dla prekursorów lotnictwa, od mitycznego Dedala, przez Leonarda da Vinci, po pionierów budowy funkcjonalnych aparatów latających – naszego rodzimego wynalazcę Jana Wnęka i znanego powszechnie Otto Lilienthala, ptasie skrzydła stanowiły nie tylko czystą inspirację, lecz także dostarczały przesłanek technicznych, których pełniejsze zrozumienie stało się możliwe po wielu latach, wraz z rozwojem aerodynamiki. Z kolei Giovanni Alfonso Borelli, uznawany za jednego z prekursorów biomimetyki, na podstawie analizy pęcherzy pławnych u ryb sformułował koncepcję budowy łodzi podwodnej. W budowie zarówno statków powietrznych, jak i jednostek pływających, wielką rolę odgrywa dynamika płynów. Środowisko naturalne wciąż dostarcza inspiracji dla nowych rozwiązań w budowie skrzydeł i hydropłatów.

Fascynujące z punktu widzenia dynamiki płynów okazały się badania nad płetwami piersiowymi wieloryba z rodziny płetfalowatych – dłogopłetwowca oceanicznego, inaczej humbaka (megaptera novaeangliae). Pierwszy człon nazwy łacińskiej systematycznej złożony jest z greckiego słowa πτερά, oznaczającego skrzydła, z przedrostkiem mega, wskazującym na ogromne rozmiary. Można powiedzieć, że intuicja nie zawiodła przyrodników, którzy nadali taką nazwę. Humbak nie jest największym z wielorybów, ale jego płetwy piersiowe są największe – ich długość może wynosić ponad pięć metrów, ale na tym nie kończą się podobieństwa do skrzydeł samolotów. Płetwy humbaka mają opływowy profil, osiągający największą grubość w 21% cięciwy, bardzo przypominający profil lotniczy NACA 63₄-021. Najbardziej zainteresowały badaczy charakterystyczne, guzkowate wybrzuszenia, znajdujące się na krawędzi natarcia płetw humbaka. W odróżnieniu od pąkli, skorupiaków czepiających się skóry wielorybów, wybrzuszenia na płetwach stanowią cechę anatomiczną długopłetwowców oceanicznych, którą można zaobserwować już w prenatalnej fazie życia tych olbrzymich ssaków.

[...]

Z obserwacji wynika, że humbaki, mimo potężnych rozmiarów i masy sięgającej 30 ton, są zwrotne i przejawiają umiejętności akrobatyczne, które w dużej mierze zawdzięczają wielkim płetwom, wykorzystywanym w manewrach skręcania i przechylania. Przyrodnicy zajmujący się badaniami wielorybów zaobserwowali też związek rozmieszczenia wybrzuszeń na krawędzi natarcia ze strukturą przepływu wody wokół płetwy. Okazuje się bowiem, że wspomniane wcześniej pąkle osadzają się bezpośrednio w obrębie wybrzuszeń, a nigdy pomiędzy nimi, co wskazuje na lokalnie zwiększoną intensywność przepływu z prędkością przekraczającą 2 m/s. Badania hydrodynamiczne wykazały, że obecność wybrzuszeń na krawędzi natarcia płetwy umożliwia zwiększenie kąta natarcia bez ryzyka wystąpienia przeciągnięcia podczas wykonywania manewru pętli do wewnątrz – stosunkowo ciasnego skręcania z przechyleniem, stanowiącego element strategii pozyskiwania pożywienia przez wieloryby.

[...]

Odkrycia te legły u podstaw podobnych rozwiązań biomimetycznych, umieszczanych na różnych powierzchniach hydro- i aerodynamicznych, o parametrach dopasowanych do zastosowania w wodzie lub w powietrzu. Wszechobecność powierzchni przypominających skrzydła, stosowanych w celu zapewnienia manewrowości i/lub stabilności, przekłada się na mnogość potencjalnych zastosowań biomimetycznych, guzkowatych wybrzuszeń. Unikalne właściwości przepływowe wybrzuszeń na krawędzi natarcia mogą sprawdzić się między innymi w konstrukcji powierzchni nieruchomych, w tym skrzydeł, stateczników, spojlerów, kilów, płetw, jak też ruchomych, takich jak stery wysokości czy głębokości.

analiza hydrodynamiczna płetwy humbaka

 

Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 3/4 (198/199) Marzec/kwiecień 2024

Jak zakupić