تبلیغات
فیزیکilove - ریاضیات پرواز پروانه

فیزیکilove



در آغاز پرواز، پروانه با آسمانی پر از هیاهو، و آشفته‌تر از آنچه که تصور می‌کرد روبه‌رو می‌شود. 
با نگاه به پرواز پروانه‌‌‌ها می‌‌توان قابلیت مانور وسایل نقلیه میکرو-هوایی را ارتقا داد.

 

بال و پر زدن پروانه، الهام‌بخش شاعران، خوانندگان و حتی ورزشکاران بوکسور بوده است. اکنون این حرکت پروانه‌ها الهام‌بخش پژوهش‌گرانی شده که در صدد فهم این نکته هستند که حشرات چگونه از مکانی به مکان دیگر پرواز می‌کنند.

 

 

ناوتو یوکویاما (Naoto Yokoyama)، استادیار هوانوردی و فضانوردی دانشگاه کیوتوی (Kyoto University) ژاپن می‌گوید: «با توجه به اصطلاح «جاری شو همانند پروانه»، می‌توان دریافت که پروانه‌ها به شکل ظریفی در محیط پرواز می‌کنند». او در جای دیگری می‌گوید: «ما مشتاق فهمیدن این نکته هستیم که پروانه‌ها از نظر علم دینامیک سیالات چگونه پرواز می‌کنند».

 

یوکویاما و همکارانش تعداد زیادی از حرکت رو به جلوی پروانه‌ها را شبیه‌سازی کرده‌اند. آنها نژادی از پروانه به نام «ببری شاه بلوطی (chestnut tiger)» را مدل تحقیقاتی خود قرار داده و بدن آن را به ۴ قسمت تقسیم کردند: قفسه سینه کروی شکلی (همانند توپ فوتبال) که بین سر و شکم قرار دارد، قسمت شکم، قسمت‌های نازک چپ و راست و در نهایت بال‌های مسطح.

 

محققان ۳ نوع شبیه‌سازی مختلف از این پروانه‌های ریاضی‌وار را به اجرا در آوردند و پس از تحقیقات مکرر به این نتیجه رسیدند که حشرات به منظور اوج گرفتن، از فشار گرداب‌های هوایی که در طول بال و پر زدن ایجاد می‌شود، استفاده می‌کنند. محققان متوجه شدند که پرواز پروانه مملو از جنب و جوش‌هایی است که در هنگام حرکت در هوا انجام می‌دهد، به‌طوری که با این حرکت‌ها و بالا و پایین رفتن‌های سریع، خود را به سمت جلو هدایت می‌کند.

 

 

شگفتی‌های عجیبی در جریان ملایم هوایی که در اطراف پروانه وجود دارد به چشم می‌خورد. در این زمینه یوکویاما می گوید: «جریان هوای موجود در اطراف پروانه بیش از تصور انسان دارای تلاطم است».

 

محققان بر این گمانند که گردبادها و تلاطم‌های هوایی، نه تنها به بیشتر اوج گرفتن پروانه‌ها کمک می‌کند، بلکه آنها را از تیررس شکارچیان نیز دور نگه می‌دارد، بدین صورت که حرکت‌های سریع پروانه در هوا مانع از شکار راحت این حشره است. این تحقیقات در اوایل همین سال میلادی در مجله فیزیک سیالات منتشر شد.

 

تای هندریک (Ty Hendrick) ، یک زیست‌شناس از دانشگاه کارولینای شمالی در چپِل‌هیل (University of North Carolina in Chapel Hill)، می‌گوید که تحقیقات کاملا با آنچه در جهان واقعیت وجود دارد مطابقت می‌کند. «تحرک پروانه‌ها از دیگر حشرات به مراتب بیشتر است و شواهد دیگری نشان می‌دهد که پرواز بی‌نظم و قاعده‌ی پروانه‌ها مکانیسمی است برای مقابله با شکارچیان»، او در ادامه می‌گوید «پروانه‌های سمی یا بدمزه نسبت به دیگر گونه‌‌ها پروازهای آرامتری داشته و مسافت‌های کوتاه‌تری را پرواز می‌کنند».

 

هندریک می‌گوید که تحقیقات جدید نتیجه خوبی در جهت ترکیب دینامیک سیالات محاسباتی با مکانیسم مکانیک نیوتنی قرن ۱۷ برای پرندگان دارد. او اضافه می‌کند که: «جزء اصلی که در شبیه‌سازی پروانه وجود ندارد، تغییر شکل بال‌های پروانه است. این مورد به‌عنوان بهبود بهره‌‌وری پرواز شناخته شده و احتمالا به ثبات حرکت رو به جلوی پروانه کمک کرده است».

 

دوربین‌ها به کشف رمز و راز پرواز کمک می‌کنند

 

شبیه‌سازی‌ها بسیار مفید هستند، اما تنها با مشاهده مستقیم می‌توان به درک و فهم پرواز حشرات رسید. تیراس لین (Tiras Lin)، یک پژوهش‌گر دوره‌ی کارشناسی از دانشگاه جانز هاپکینز (Johns Hopkins University)، بر روی پروژه‌ای همانند پروژه یوکویاما و در جهت بهتر مهار کردن قدرت لرزش‌های پرواز کار می‌کند.

 

لین می‌گوید که راز و رمز پرواز حشرات ،این که چگونه یک پروانه‌ی مونارک می‌تواند در مسافتی کوتاه‌تر از طول بدنش به اندازه ۹۰ درجه بچرخد و یا اینکه یک مگس میوه چگونه می‌تواند به‌راحتی با سرعت بالا در یک اتاق فاصله بین سقف و کف زمین را چندین هزار بار طی کند، پژوهش‌گران را به مدت چندین دهه سردرگم کرده است.

 

 

 برای مشاهده‌ی فیلم روی عکس کلیک کنید

 

لین با استفاده از یک ویدوئوی سرعت بالا به‌همراه کالبدشکافی، به کند و کاو حرکت بال‌های سبک وزن پروانه پرداخت. بر اساس کالبدشکافی، کارشناسان توده‌هایی از قسمت‌های مختلف بدن حشرات را شناسایی کردند که شامل سر، بدن و بال‌ها است.

 

محققان جهت آزمایش، پروانه‌های ملکه را در آکواریومی که به‌وسیله لامپ‌های گوناگون روشن شده نگهداری می‌کنند. سه دوربینِ سرعت-بالا و مجهز به لنزهایی با نزدیک‌نمایی بالا از مانور پروانه‌ها فیلم‌برداری کرده است. این محققان حدود ۳۰۰۰ فریم در هر ثانیه ثبت کرده‌اند، چرا که پروانه در هر ثانیه ۲۰ بار بال می‌زند.

 

 

لین می‌گوید: «این اطلاعات به ما این اجازه را می‌دهد تا بتوانیم به‌صورت ریاضی‌وار حرکت‌های بال‌ها و بدن پروانه‌های را مستند کنیم». او در ادامه می‌گوید که این طور به نظر می‌رسد که بال‌ها نقش مهمی را در فیزیک بال زدن ایفا می‌کنند.

 

«ورزشکاران، از جمله اسکیت‌بازان روی یخ و یا غواصان دست و پاهای خود را به‌منظور توزیع یکنواخت جرم خود در اطرافشان به حرکت در می‌آورند. این حرکت‌ها بر روی مانور و حرکت آنها، به‌خصوص چرخش بدنشان، تأثیر می‌گذارد». لین می‌گوید «بر اساس تحقیقاتی که انجام دادیم، بر این باوریم که این امکان وجود دارد که یک حشره توانایی انجام چنین کارهایی را با استفاده از بدن و بال‌هایش داشته باشد».

 

لین و دیگر محققان در جستجوی این نظریه هستند که پرواز پروانه می‌تواند در طراحی نسل بعدی وسایل نقلیه میکرو، جهت انجام ماموریت‌های شناسایی و یا نظارت بر اطراف، کمک به‌سزایی کند.

 

لین در پایان می‌گوید: «یکی از زمینه‌هایی که در حال حاضر وسایل نقلیه میکرو در آن دچار خلع شده، خاصیت مانور است، و به‌خاطر اندازه کوچک طراحی‌های مدرن، چیزهای زیادی می‌توان از پرواز پویای حشراتی از جمله پروانه آموخت».

 

 

 

مشاهده‌ی قبلی: چرا پیاز اشک شما را در می‌آورد؟! مشاهده‌ی بعدی: نکاتی درباره شهاب‌سنگ‌ها
1392/2/14لینک مستقیم

نوشته شده در چهارشنبه 25 فروردین 1395 ساعت 06:13 ب.ظ توسط ف نظرات |


Design By : Pichak