پروانه‌ها هنگام پرواز درجا، گاهی با حرکت‌هایی شبیه به زیگ‌زاگ و موج‌دار دیده می‌شوند. این حرکات از دور ممکن است ناهماهنگ یا تند و تیز به نظر برسند، اما دقیقاً همین ویژگی‌ها باعث می‌شود که آن‌ها بتوانند به طرز شگفت‌انگیزی در هوا معلق بمانند.
یانلای ژانگ از دانشگاه ب‌ی‌هانگ چین به‌تازگی در مطالعه‌ای شرکت کرده است که بررسی می‌کند چگونه زاویه بدن پروانه به حفظ تعادل و پرواز پایدار آن در یک نقطه کمک می‌کند.
پرواز شناور: راز تعادل در ناپایداری
پرواز شناور پروانه چگونه کار می‌کند؟
پرواز پروانه‌ها معمولاً بی‌نظم و آشوب‌زده به نظر می‌رسد. اما کارشناسان می‌گویند این حرکات ناگهانی و ضربان‌های نامنظم بال‌ها، در واقع حرکاتی دقیق و هدفمند هستند که به پروانه کمک می‌کنند از چنگ شکارچیان فرار کنند.
نقش زاویه بدن در تعادل
پروانه‌ها از ساختار بال‌های انعطاف‌پذیر برای حفظ تعادل خود استفاده می‌کنند. برخی پژوهشگران بر این باورند که رابطه‌ای پیچیده بین حرکت بال‌ها و نحوه قرارگیری بدن وجود دارد که باعث تولید نیروی لازم برای شناور ماندن می‌شود.
بر اساس یافته‌های علمی، زاویه «گام بدن» (یا Pitch Angle) عامل کلیدی در نگه داشتن وزن پروانه در هواست. این زاویه به‌گونه‌ای نیروهای وارده را جهت‌دهی می‌کند که نیروی جاذبه خنثی شود.
تغییر زاویه، کنترل بیشتر
پایداری در حالت معلق ماندن، اغلب وابسته به چگونگی تغییر زاویه بدن حشره است. با تنظیم این زاویه، هر ضربه بالی می‌تواند بدون مصرف انرژی اضافه، جهت کلی حرکت پروانه را هدایت کند.
نقش جریان هوا در پرواز ایستا
چرا پروانه‌ها ایست و حرکت می‌کنند؟
شاید شما هم دیده باشید که پروانه‌های کلم سفید هنگام پرواز، توقف‌های کوتاه‌مدت دارند. حالا دانشمندان دریافته‌اند که آن‌ها در این حالت در حال تنظیم موقعیت بدنی خود هستند تا از جریان‌های هوای سودمند اطراف بال‌های‌شان بهره ببرند.
چرخش‌های ظریف برای ماندن در هوا
حتی چرخش جزئی بدن باعث تعادل دقیق در نیروهای وارده می‌شود. این حرکات ظریف به آن‌ها کمک می‌کند تا بدون مصرف بیش از حد انرژی، در هوا معلق بمانند.
یانلای ژانگ در این‌باره می‌گوید:
«شناور ماندن یک مکانیسم بقا بسیار حیاتی برای رفتارهایی چون تغذیه از گل‌ها و فرار از شکارچیان است.»
بررسی علمی پرواز پروانه
پژوهشگران مسیر پرواز پروانه‌ها را با دوربین‌های فوق سریع ثبت کرده، سپس با مدل‌های ریاضی و محاسباتی مقایسه می‌کنند. این روند به آن‌ها نشان می‌دهد که چگونه حتی حرکات بسیار ظریف بال‌ها می‌تواند نیروی بالا‌برنده کافی برای معلق ماندن تولید کند.
الهام‌گیری از پروانه‌ها برای طراحی پهپاد
درس‌هایی برای پهپادهای کوچک و سبک
گروه‌های تحقیقاتی فعال در زمینه ساخت وسایل پرنده میکرو (MAV) به یافته‌های این پژوهش با دقت نگاه می‌کنند. استفاده از بال‌زنی آهسته با فرکانس پایین – مشابه پروانه‌ها – می‌تواند باعث افزایش راندمان در حالت معلق شود.
پهپادهای کم‌صدا برای مأموریت‌های حساس
یکی از مشکلات رایج پهپادها، آلودگی صوتی آن‌هاست. بال‌زنی با فرکانس پایین می‌تواند راهی برای کاهش صدا باشد.
ژانگ می‌گوید:
«ما از توانایی ساخت MAVهای بی‌صدا با قابلیت پرواز شناور بسیار هیجان‌زده‌ایم، زیرا این فناوری برای رصد بی‌مزاحمت حیات‌وحش بسیار مناسب است و با ظاهر زیستی و حرکت آرام خود، کمترین مزاحمت را برای رفتارهای طبیعی حیوانات ایجاد می‌کند.»
مطالعات زیست‌محیطی با کمک پهپادهای بی‌صدا
پلتفرم‌های پروازی آرام و کند که بتوانند جزئیات محیط را بدون ترساندن حیوانات ثبت کنند، می‌توانند در مطالعات گرده‌افشانی و فرایندهای زیست‌محیطی دیگر کاربرد فراوانی داشته باشند. حتی در محیط‌های تنگ یا حساس هم این نوع پرواز می‌تواند مفید واقع شود.
نیروی بال‌ها؛ راز پنهان پرواز ایستا
در هر ضربه بالی، جریان هوا اطراف بال‌های پروانه به‌سرعت تغییر می‌کند. پژوهشگران نشان داده‌اند که بال‌های جلویی و عقبی الگوهای متفاوتی از گردش هوا ایجاد می‌کنند.
ایجاد گردابه برای تولید نیرو
گردابه‌هایی شکل می‌گیرند، تقویت می‌شوند و سپس در فاصله‌های زمانی کوتاه از بین می‌روند. این پویایی در جریان هوا، نیروی لازم برای معلق ماندن را تضمین می‌کند.
طراحی ربات‌های پرنده کوچک بر پایه علم پروانه
تحلیل دقیق حرکات بال
دانشمندان از روش «تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی» برای بازسازی این حرکات سریع استفاده می‌کنند. دوربین‌های فوق سریع و مدل‌های شبیه‌سازی پیشرفته، امکان اندازه‌گیری دقیق زاویه‌های بال و تغییرات آن‌ها را فراهم کرده‌اند.
بدن، محور تعادل
هر تغییر زاویه‌ای در بال‌ها، بخشی از یک سیستم نیروی متعادل را می‌سازد. این داده‌ها نشان می‌دهند که زاویه قرارگیری بدن پروانه، عنصر کلیدی در شناور ماندن آن است.
چالش‌ها و گام‌های بعدی در طراحی پهپادهای زیستی
انعطاف‌پذیری با الهام از طبیعت
یکی از چالش‌های اصلی، تولید نیروی کافی برای بلند شدن بدون افزایش بیش از حد وزن دستگاه است. مواد قابل انعطاف، مشابه بال‌های پروانه، شاید بتوانند حرکتی طبیعی‌تر را ممکن سازند.
نیاز به سنسورهای دقیق‌تر
برخی از این طراحی‌ها ممکن است به حسگرهایی بسیار دقیق برای کنترل زاویه، ضربه بال و موقعیت نیاز داشته باشند. چنین دقتی برای پرواز پایدار در شرایط سخت ضروری است.
ترکیب زیست‌شناسی با فناوری پرواز
این تحقیق افق‌های تازه‌ای برای ترکیب علوم زیستی با مهندسی گشوده است. آیرودینامیک برگرفته از پرواز شناور پروانه‌ها می‌تواند پیشرفت‌های بزرگی در زمینه ربات‌های پرنده کوچک ایجاد کند.
این مطالعه در نشریه Physics of Fluids منتشر شده است.
