Беседы о теории машущего полёта.

[DesertEagle]

Читаем дальше... Теперь выдержки из документа: The vortex wake of blackcaps (Sylvia atricapilla L.) measured using high-speed
digital particle image velocimetry (DPIV).

Эта работа была проведена после предыдущих DPIV видеосъемок стрижей, малиновок и летучших мышей (см. переводы обзоры на пред.страницах), поэтому в ней упор был сделан на съемку области ближе к крыльям, в попытке объяснить разницу в вихревом следе у летучих мышей и у птиц. Одной из версий было предположение, что у птиц хвост помогает организовать вихри у корневых частех крыла. Летучие мыши все безхвостые, а некоторые и с "отрицательным" хвостом, то есть выемкой между задних лап. Для этого у одной из испытуемых птиц был полностью обрезан хвост, а вторая оставлена с хвостом.

Исследовались птицы черноголовки:

Масса: 16.3 (без хвоста) и 19.5 грамм (с хвостом)
Площадь крыльев: 0.0111 и 0.0105 м2
Скорость полета: 21.6 - 36 км/час (наиболее экономичная 23-24 км/час)
Удлинение: 5.1 и 5.2
Частота махов: 17-18 Гц
Re: 17500-29500

Съемка хвостатых и безхвостых птиц не выявила разницы в вихревом следе. Откуда можно сделать вывод, что хвост птицы не участвует в процессе машущего полета.

Когда начинается мах вниз, образуется мощный стартовый вихрь за задней кромкой крыла. Подъемная сила и тяга достигают максимума к 40% маха вниз, после чего постепенно ослабляются до окончания маха вниз и далее продолжают ослабляться в течении всего маха вверх, пока в конце маха вверх не обратятся в ноль. Причем сопротивление при махе вверх падает быстрее, чем подъемная сила. Разницы между взаимодействием концевых и корневых вихрей у хвостатой и безхвостой птицы не выявлено. Таким образом, гипотеза о каком либо влиянии на махи хвоста у птиц по сравнению с летучими мышами, не подтвердилась.

При махе вверх создается подъемная сила и лобовое сопротивление, но меньшие по величине, чем при махе вниз. Тяга при махе вверх не создается.

Как и у других птиц и у летучих мышей, у черноголовок существует объединение и разъединение малозначительных вихрей крыльев и корпуса в разные моменты махов.

Точность измерения в этом эксперименты была довольно высока: найденная по вихревому следу подъемная сила составила 99.7% от веса птицы для безхвостой птицы и 105.2% для хвостатой. То есть ошибка замеров составила не более 0.3-5.2%.

Средний Cy составил 1.3 на минимальной скорости полета и 0.16 на максимальной.

Средний Cx составил 0.21 на минимальной скорости полета и 0.051 на максимальной.

Таким образом, аэродинамическое качество получилось 6.19 на скорости 21.6 км/час и 3.14 на скорости 36 км/час. Максимальное аэродинамическое качество получилось 7.6 единиц на наиболее экономичной скорости (сюрприз, да) полета 23 км/час.

Причем у безхвостой птицы качество оказалось заметно выше, почти на единицу во всех режимах полета. Таким образом, хвост у птицы в полете создает исключительно сопротивление, но нужен для маневренности и снижения скорости при посадке. А в полете птицы хвост убирают/сжимают в одну линию, чтобы он меньше мешался. Хотя это можно списать на разницу в летном стиле двух разных испытуемых птиц, но другие исследования по сопротивлению чучел птиц с хвостом и без, подтверждают увеличение лобового сопротивления при удлинении хвоста, что сходится с результатами этого исследования.

Не найдено подтверждения гипотезе, что хвост может утилизировать вихри, сходящие с корневых частей крыльев (как в эффекте машущего предкрылка Болдырева с неподвижным основным крылом за предкрылком) и тем самым повышать летные свойства птиц. Реальное течение воздушного потока в окрестностях хвоста не совпадает с предсказываемым такой гипотезой.

Также упоминается о другом эксперименте, где исследовался один соловей сначала с хвостом, а потом он же без хвоста. На вихревом следе ничего принципиально не изменилось.

Нестационарных эффектов при махах не обнаружено. Полет черноголовок в целом похож на быстрый полет соловья. Общего с летучими мышами только небольшой противоположный вихрь на корпусе в начале маха, который потом пропадает/объединяется с крыльевыми. Это та часть, которая обсуждалась об объединении крыльев с корпусом в единое "крыло" в определенном момент маха, когда говорили о мышах. Только у черноголовок это выражено намного слабее. Это говорит о том, что по крайней мере частично в начальный момент махов крылья черноголовки работают по отдельности, или другими словами, корпус не участвует в создании аэродинамических сил при махе вниз (просто имеет минимально возможное лобовое сопротивление и все). Другие исследования показывают, что корпус птицы начинает играть значимую роль в создании аэродинамических сил только при прерывистом полете с падениями со сложенными крыльями. Там корпус создает положительную подъемную силу, является несущим корпусом, позволяющем такому падающему воробью с убранными крыльями иметь аэродинамическое качество до 1.4 единиц. А в обычном машущем полете корпус птицы создает только минимальное лобовое сопротивление.

 

[KV1237542]

Я думаю что как раз максимальные нестационарные эффекты должны быть в режиме висения, причем у любых птиц.

Смотря что мы понимаем под нестационарными эффектами. По определению, это некая зависимость от времени, от предыдущего состояния. А квазистационарная - это когда любой момент махов (любой короткий участок) можно рассматривать независимо от других. И мы просто суммируем такие независимые стационарные участки. Называется такой подход квази-стационарным. У птиц, даже у таких мелких как воробьи, при натурной съемке нестационарных эффектов при махах не обнаружено. Полностью квазистационарное течение. А вот у летучих мышей обнаружено (см. выше перевод) и у воробьиных на скорости 4 м/с, тоже небольшие зачатки нестационарности имеются.

И потом, почему вы считаете что нестационарные эффекты при висении крупных птиц, даже если они есть, должны быть именно положительными и давать прибавку к тяге? Может быть они негативные и только вредят. Что более логично. Переходные процессы и все такое.

Вы не путайте нестационарность с просто изменением во времени =). Для короткого взлета и для висения существует понятие парашютирования, например. Да и работу крыла на закритических срывных углах атаки никто не отменял. Да, неэффективно, да, требует больше мощности. Но вполне поддается расчету, известны Cy, Cx и прочее. Не говоря о том, что крупные птицы обычно взлетают против ветра, поэтому с истинными углами атаки все может оказаться все не так плохо, как кажется со стороны. Наличие именно _нестационарных_ эффектов при висении и коротком взлете крупной птицы еще нужно доказать!

А локтевой сгиб у медленно летающих птиц может быть вызван не какими-то нестационарными эффектами, а элементарно потому что прямое крыло при вертикальном/коротком взлете пришлось бы при махе вверх сильно скручивать. Чтобы передняя кромка смотрела вертикально вверх. Намного проще согнуть в локте и получить путь не такое маленькое сопротивление, как у прямого крыла, но тоже приемлимое. Чем на каждом махе скручивать крыло почти на 180 градусов. Вот стрижам нет необходимости в медленном полете, поэтому первым делом они избавились от локтевого сгиба.

Опять же, даже на малой скорости полета нет необходимости в нестационарных эффектах. Вертолет же как-то летает и на 1 м/с, хотя самолет с таким же по площади крылом не может  ;D. У птиц (голубей например) и насекомых так же. Крылья-то движутся относительно воздуха с достаточной для полета скоростью. Даю 99% гарантию, что у голубей при взлете не обнаружится нестационарности при махах. Интересно, отсняли ли их на PIV? Должны вроде, популярная у биологов птица.

В любом случае, у меня к сторонникам нестационарности в машущем полете, два вопроса:

1. как вы объясняете, что все отснятые на PIV птицы, не смотря на разные вихревые дорожки, по летным свойствам оказались равны неподвижному крылу с таким же размахом и площадью, летящему на такой же скорости полета? то есть согласны с объяснением в статье, что главенствующим фактором является размах и скорость полета, задающие задействованную в полете "колбасу" воздуха?

2. что делать с Re, как вы собираетесь на человеческом махолете добиться Re=10 000 - 20 000?

Возможн зря вы игнорируете труды непосредственно орнитологов, потому что и так все ясно.
Я думаю сгибание в локте вопрос не только аэродинамический но и вопрос механики.
Это позволяет перекачать кинетическую энергию в конце маха вниз в кисть, затормозив при этом плечевой отдел и снижает нагрузки на крыло.


1. Никак в крейсерском полете нестационарные эффекты могут быть малы, однако мнение Lav то же выглядит для меня убедительным и более менее доказательным об этом писал и Голубев. Ваши материалы то же интересны и доказательны,
но у меня нет квалификации разобраться в этом досконально (я имею виду нест эфф. в крейс. полете)

2. Мне незачем добиваться этих Re, я вообще то проектировал привод исходя из программы максимум на всякий случай чтобы полет гарантированно был возможен и если регулировкой удастся добиться полезных нест. эффектов это хорошо.
Если нет не смертельно главное универсальное складное многорежимное крыло.

3 Основное использование нестационарных эффектов происходит именно в режиме висения и на малых скоростях там от них и максимальная польза - но для конкретного машущего многорежимного крыла которое в режиме висения не факт что лучше вертолета но вертолет это другое со своими недостатками и достоинствами.

Рассмотрим режим висения: у меня такая точка зрения:

1 фаза - крыло прямое идет вниз до примерно горизонтали - ось маха у птиц где-то под углом 15-30 град к (ну скажем к хорде крыла для этого случая)

На концах крыла есть участки где углы атаки вполне самолетные но вся  проксимильная часть крыла движеться под установочным углом 75-60 град и должно иметь вследствие ускоренного движения повышенный коэффициент Сх и Су (оба в данном случае полезны так как позволяют снизить скорость а значит мощность.1 (не вижу особой разницы с диском Герасимова С.А,) 2- (не сравнивать с вертолетом!)

   Далее грудная мышца прекращает тянуть крыло вниз бицепс складывает крыло - уменьшается момент инерции а также кистевой отдел опускается ниже проксимильного  и  по сути хоть плечевой отдел остановлен и даже идет вверх  для кисти продолжается мах вниз. Крыло перераспределяет имеющуюся кинетическую энергию. Одновременно со складыванием кисть супинирует до какого-то предела, далее под воздействием присоединенных масс воздуха 1- степенные маховые всего крыла поворачиваются и пропускают разогнавшийся воздух. Это более менее видно на видео.

Вообще договоримся - "машет" по сути кисть и взмах вниз крыла можно считать продолжается пока кисть идет вниз.
Очевидно с точки зрения механики птице выгодно макс сложить крыло и супинировать кисть пока она идет вниз.

         Далее при взмахе вверх птице уже не выгодно использовать и Сх и Су
поэтому по сути все крыло вследствие пассивного поворота перьев превращается в решетку
но работу по созданию полезной силы выполняют только перья мануса, они в данном случае работают как обычное решетчатое крыло пытаясь создать макс Су при мин Сх (можно было бы повернуть все крыло в кисти на меньший угол, но коль сколро есть перья - птицы используют их по отдельности у этого свои + и -). Крыло при взмахе вверх (я понимаю под взмахом вверх когда кисть начинает двигаться вверх) полусложено, имеет меньший момент инерции, однако концевые перья могут двигаться быстро и создавать значительную тягу), только момент сопротивления значительно меньше поэтому достаточно более слабых мышц. При торможении крыла вверху оно распрямляется и супинирует, снова перераспределяя энергию, тормозя проксимильную часть и разгоняя дистальную (зеркальное отображение завершения маха вниз) создавая тягу но на короткий момент. Т.О. при взмахе вверх никакие присоединенные массы птице не нужны и нестационарности (полезной нет) разве что манус смещаясь к корпусу может встретить поток закрученный  корневой частью крыла.

  Далее по стрижу: стриж складывает крыло в локте при взмахе вверх и увеличивает его стреловидность, я виде где-то даже фото в литературе с наложением. Возможно в вашем описании имелось в виду что стриж при складывании не отводит кисть вниз (особенности его кинематики), так это действитльно может быть при его скоростном напоре ему от этого нет особого проку.

МАХ ВНИЗ (грубая аналогия маха вниз для области кисти где-то между мансом и кистевым сгибом (при махе вниз эта поверхность сплошная) некоторая спассивная супинация в фазе А под не показана)
Область А - прямое крыло, В- супинация, С-пассивный поворот перьев

 

[DesertEagle]

Похоже что сейчас журнал "Экспериментальная биология" является самым большим сборником исследований по изучению движения животных.

Если ввести там в поиске слово DPIV (и PIV потом еще), то поиск выдает полторы сотни съемок. Большая часть из них по водным животным (рыбам, дельфинам, акулам, планктону, летающим рыбам и т.д.).

Но и по летающим я насчитал штук 30 отчетов. Там есть все: несколько видов летучих мышей, колибри, несколько статей по голубям, про канадского гуся, есть даже про летучих змей. По насекомым тоже полно лазерных съемок. Читать не перечитать.

И это только экспериментальная лазерная видеосъемка воздушных потока за реально летящими птицами (DPIV или PIV).   Другие, более традиционные исследования, я даже не пытался искать.

 

[DesertEagle]

Документ: http://jeb.biologists.org/content/176/1/31.abstract

Прямое измерение развиваемой силы и мощности грудных мышц у голубей при разных режимах работы. С помощью закрепленного (вживленного?) тензодатчика.

Грудные мышцы начинают развивать усилие после полного растяжения в последней трети маха вверх и достигают максимального усилия при сокращении в первой трети маха вниз. После чего поддерживают одинаковое усилие в течении всего маха вниз, и иногда даже в начальной части маха вверх, в зависимости от режима полета.

Измеренная мощность голубя массой 316 грамм (3.1 N) в горизонтальном полете составила 3.25 Вт, а при взлете 7.59 Вт. Что дает удельную мощность голубиных мышц 10.29 Вт/кг в горизонте и 24 Вт/кг при взлете.

Непосредственные измерения мощности мышц хорошо согласуются с независимой проверкой, так как при тестах тот голубь взлетал на насест высотой 2.5 м со средней скоростью 2.62 м/с. Что при весе голубя 3.1 Ньютона дает мощность при вертикальном подъеме N=F*v = 3.1 Н * 2.62 м/с = 8.12 Вт. Это немного выше измеренной мощности непосредственно на мышцах с помощью тензодатчика, но близко к нему.


Когда голуби были нагружены рюкзаками с дополнительным весом (50% и 100% от массы тела), развиваемые мускулами силы не превысили существенно те, которые имеются у голубя в ненагруженном виде, когда он делает вертикальный взлет. Отсюда можно сделать вывод, что максимальная развиваемая мышцами мощность, которую может развить голубь, привязана к режиму взлета и ограничена скоростью, с которой могут сокращаться его мышцы.

Вот так-то! 10 Вт/кг в полете и 24 Вт/кг при взлете. В полном согласии с независимыми оценками орнитологов и требованиями стационарной аэродинамики.

А помнится, у того же lav в расчетах энергопотребления птиц в полете использовались человеческие 4 Вт/кг, из-за чего якобы птицы как раз в эти несколько раз меньше тратили энергии в полете. Благодаря нестационарным эффектам, ага.

Шах и мат.

 

[DesertEagle]

Другое независимое непосредственное измерение мышечной мощности птиц, на этот раз сороки Pica Pica (обычная сорока, я так понимаю).

http://www.science.oregonstate.edu/~warrickd/dialetal97.pdf

Измерение проводилось тензодатчиком, вживленным в кость (подробности найдете в статье по ссылке выше, лень переводить):

При взлете и зависании (скорость 0 м/с) мощность мышц сороки составила 21 Вт/кг, при дальнейшем наборе скорости мощность уменьшалась и оставалась примерно одинаковой в крейсерском диапазоне скоростей 4-12 м/с. И только на максимальной скорости полета 14 м/с подрастает до 12 Вт/кг.

Как же мы отстали, господа. Спорили 390 страниц, приводя различные аргументы, а оказывается все давно измерено инструментально.

 

[DesertEagle]

Прямые измерения давления на крыльях трех канадских гусей с помощью датчиков давления и акселерометров.

http://jeb.biologists.org/content/206/22/4051/F3.expansion.html

Масса 4.7 кг
Размах 1.58 м
Площадь крыльев 0.36 м2
Скорость полета 8.5 м/с (31 км/час)

Записи со всех трех гусей показали количественно и качественно согласующиеся результаты.

На махе вверх на корневой части крыла положительная подъемная сила и лобовое сопротивление, в середине крыла подъемная сила и тяга нулевые, а на конце крыла отрицательная подъемная сила и положительная тяга. То есть кончики крыла гуся при махе вверх создают тягу, хоть и очень незначительную по величине (в пять раз меньше, чем при махе вниз).

Хотя из этого исследования невозможно точно определить факт создания тяги при махе вверх. Существует конкурирующая гипотеза, что отрицательная подъемная сила кончиков крыльев при махе вверх может быть связана с морфологией птицы. Что птица чисто физически не может повернуть кончики крыльев на достаточный угол, поэтому вынуждена мириться с некоторой потерей подъемной силы при медленном полете. Возможно, истина где-то посередине между этими двумя крайностями. Дальнейшие эксперименты покажут какой вариант имеет место в действительности.

В конце маха вниз, гусь останавливает крылья (гасит инерцию) аэродинамическим способом, а не силовым за счет мышц. Об этом говорит второй пик давления на махе вниз. Первый связан с началом движения.

Ниже картинка распределения давлений на крыльях гуся во время полета (5 датчиков). Цветная полоса это распределение давлений по размаху как нарисовано крыло слева. Красные области означают избыточное давление, т.е. положительную подъемную силу, а также на кончиках положительную тягу во время маха вниз. Серые области 0 Pa нейтральное давление. Синие на махе вверх - отрицательную подъемную силу и положительную тягу (предположительно).

 

[DesertEagle]

Но если возьмем пилота 70 кг и хороший спортивный параплан 10 кг со снижением 1.1 и качеством 9 на скорости 9.9 м/с (36 км/час, такие сейчас есть), то лобовое сопротивление получается 800/9=88.9 Н. Что на скорости 9.9 м/с дает идеальную мощность для полета 88.9 * 9.9 = 880 Вт.

Делим на кпд машущих крыльев 90% и получаем требуемую мощность двигателя 880/0.9 = 978 Вт. Мышцами столько не развить, конечно. Но с электромотором-помощником 500 Вт (а лучше сразу 1000 Вт, чего уж напрягаться самому )), почему бы и нет.

А если спроектировать параплан на скорость 15 км/час (площадью под 60 м2), то масса его существенно не увеличится, на пару-тройку кг. А мускульной мощности уже может хватить для полета.

Так что машущий полет все же открывает потенциальную возможность полета на сверхмалых мощностях. По сравнению с остальными существующими движителями.

Другое дело, что на редукторе под такое передаточное число будет процентов 20-30% потерь. И конкретно в случае параплана крылья можно тянуть только вниз, поэтому чтобы получить такую среднюю мощность, мотор придется ставить в два раза мощнее. То есть реально нужен будет мотор 3 кВт для горизонта и 6 кВт для набора со скоростью 1 м/с.

Для 80 кг взлетного веса удельная мощность при этом получается 978/80=12.23 Вт/кг. Что близко к птичьим 10 Вт/кг. И это на таком несовершенном летательном аппарате как параплан (просто других близких существующих примеров крыльев с птичьей удельной нагрузкой 3-4 кг/м2 особо и нету). А на жестких крыльях с хорошим качеством, уверен, можно будет довести до 10 Вт/кг.

Это соответствие птичьей мощности и требуемой для полноразмерного махолета, кстати, еще один довод что в крейсерском полете птицы летают по квазистационарной аэродинамике.

А это дает нам полное право соблюдая аэродинамику масштабировать птицу до человеческого размера и быть уверенным, что человеческий махолет будет летать с примерно такими же летными характеристикам, как у птиц. Ну, учитывая размер, конечно. Это для сомневающихся что это вообще возможно =).

Так что с махолетами все хорошо ).

 

[DesertEagle]

ЧЕМ ОБЪЯСНИТЕ?

Там же написано что хорошо подтверждается, а вовсе не идеально. В любом эксперименте есть погрешность и они прямо написали, что по подъему выходит большая мощность, чем замеренная ими тензодатчиком по напряжению в костях голубя.

А вот в этом документе у голубей измеряли давление на крыльях датчиками как у гусей: http://jeb.biologists.org/content/208/2/355.full

Для голубя массой 480 грамм и размахом 66 см, нашли мощность для горизонтального полета 19.3 Вт/кг. То есть в первом эксперименте возможно была недооценка, что и подтверждается замером подъема.

Еще интересная штука, что когда голубь медленно летит с распростертым хвостом, хвост создает почти 8% подъемной силы. Вообще, там много чего интересного. Документы большие и все подробно описано.

НУ КАКУЮ МОЩНОСТЬ БУДЕТ ИМЕТЬ РЕАЛЬНЫЙ ВЕРТОЛЕТ С ВИНТОМ ДИАМЕТРОМ 50СМ, ВЗЛЕТАЮЩИЙ 2,62М/С С ТЯГОЙ 3,1 Н ?

У голубей размах 65-70 см. С винтом такого диаметра с тягой 3.1 Н и скоростью подъема 2.62 м/с потребуется 9-12 Вт. Сложность в том, что методики расчета винтов предназначены для наших размерностей, а для птичьих малых Re они не совсем годятся.

Это скорее к водномоторникам. Наверно обращали внимание, что лодочные винты имеют маленький диаметр по сравнению с самолетными? Какие-то смешные диаметры 15-20 см, а эффективно реализуют мощность в десятки л.с... У птичьих Re нечто среднее между водой и нашими винтами. Поэтому не исключено, что при голубином Re винт с меньшим диаметром будет реализовывать ту же мощность и тягу что больший винт при наших Re. Как это делают лодочные винты.

Где-то на том сайте я видел описание эксперимента, где высушенные крылья голубя (чучела) прикрепили к втулке винта и крутили их как пропеллер на разных углах атаки. Соблюдая скорость вращения как угловая частота махов, то есть соблюдая птичьи Re. Вот это корректное сравнение с винтом, так как вращение равномерно и нестационарность от знакопеременного движения исключена.

Я пробежал тот документ вскользь, так как непосредственного измерения за живой летящей птицей там не было. Но никаких отклонений и открытий там не заметил, в конце авторы писали что-то про хорошую сходимость такого винтового метода замера с аэродинамическими характеристиками живых голубей. Да вот же та статья, читайте и проверяйте сами: http://jeb.biologists.org/content/214/11/1867.full

Экспериментальная установка с винтом из крыла голубя (Pigeon wing):

Такие вещи всегда проверяются по нескольким независимым исследованиям. И публикации в таких журналах, как правило, рецензируемые. То есть сначала их читают специалисты и если у них например возникают вопросы по корректности поставленного эксперимента, то требуют дополнительное описание и ремарки, прежде чем опубликовать. Поэтому результаты обычно более менее достоверные. По крайней мере в условиях погрешности замеров.

 

[KV1237542]

Там же написано что хорошо подтверждается, а вовсе не идеально.

Было сносно, пока подтверждало ваши взгляды, затем стало неправильно.
Не будем скакать по документам разберем 7,59 Вт.:

Я взял эквивалентную ометаемую площадь для винта ф50см еще корректно для голубя с весом 3,1Н, не забыли, что крыло 50% времени полусложено, да и не ометает полный круг.? Будете отрицать?

Далее 65-70см размаха  это скорее предел и слишком много для голубя 310 грамм, сами пишете о голубе 66см -480 граммов
в нашем случае это дает ошибку в 2 раза в мощности.
В самом деле удобно взять размах от большого а вес от маленького - ПЕРЕДЕРГИВАЕТЕ.
Итак я посчитал корректно еще и с запасом (это я про ометаемую площадь) и подсчитал правильно: около 21 Вт
Далее если брать исходя из стационарной теории голубь еще должен быть хуже винта вобязательном порядке! а значит мощность 25-30Вт

Так во сколько же врут тензодатчики? В 4-5раз стали врать, ну минимум в 3р.
Дерьмовый метод...

Я смотрю все то неправильно что не соответствует вашим взглядам - что ж это вполне по человечески. 🙁

 

[KV1237542]

С тем, что у голубя при взлете удельная мощность 24 Вт/кг, а не человеческие 4 Вт/кг (и не лошадиные 1.5 Вт/кг), вы согласны?

Не знаю вполне может быть? Сколько там вообще в мышцах птиц предел?

Тепловая энергия не из этой оперы, просто повышенные аэродинамические коэффициенты помогают снизить скорость а значит и мощность.

Интересно бы побольше данных по вертикалке у птиц.
Желательно у крупных типа голубя и больше - по крайней мере ясно что режим предельный.

 

[DesertEagle]

Не знаю вполне может быть? Сколько там вообще в мышцах птиц предел? 

У самих грудных мышц согласно замерам, около 270 Вт/кг. Грудные мышцы у того же голубя занимают около 18% тела, поэтому отнесенная к массе всей птицы получается 270*0.18=48 Вт/кг. И так как они работают лишь немного больше половины времени (на махе вниз, в основном), около 55%, то итоговая средняя мощность при вертикальном взлете получается около 48*0.55=26 Вт/кг.

Есть много работ по птичьему метаболизму. Там оказывается проводился и замер потребления воздуха при дыхании, и внедрение в кровь радиоактивных изотопов для подсветки какие элементы и как усваиваются, и многое другое. За последние десятилетия когда россия была исключена из научной деятельности, в мире была проведена большая экспериментальная работа по этим направлениям.

В принципе, во многих документах встречаются упоминания, что ранние эксперименты по энергетическим замерам птиц давали противоречивые результаты, не очень согласующиеся с традиционными взглядами. Но чем точнее становились инструменты и опыты, тем лучше все сходилось.

Поэтому для большой науки в машущем полете сейчас представляет интерес для изучения разве что насекомые да самые мелкие летучие мыши. С остальными птицами вопросов и интересных тем для изучения не осталось. Причем только на минимальной скорости полета, потому что на большой даже мыши переходят на птичий режим с созданием на махе вверх меньшей по величине подъемной силы. А тягу не создают или создают очень маленькую.

См. например документ "Kinematics of flight and the relationship to the vortex wake of a Pallas’ long tongued bat ( Glossophaga soricina )". Там изучались летучие мыши с размахом 24 см и массой 10 грамм, в три раза меньше по массе, чем в первом документе. С удельной нагрузкой 1.17-1.2 кг/м2. И летающие на скоростях от 1 м/с до 6.5 м/с.

Так вот, в горизонтальном полете на 6 м/с у них средний Cy составил 0.62, что немного выше птичьего среднего Cy 0.4, за счет большой вогнутости профиля крыла мыши. Это хорошо согласуется (специально для вас: в пределах погрешности измерения  😉) с расчетами по стационарной аэродинамике. Но на скорости 1 м/с, когда такая мышь летит почти как голубь, выворачивая крыло и делая махи назад, максимальный измеренный Cy составил 4, вместо положенных для такого Re стационарных 2 единиц. Я правда не понял, это средний или только пиковый на махе вниз. Там еще что-то говорится про нормализованный Гtot/Uc=10, не совсем ясно что это такое. Рост Cx при этом, понятое дело, пропорционально выше. Поэтому энергозатраты мышей при полете, как и следовало ожидать, выше чем у птиц. Но при массе в 10 грамм и нагрузке на крыло 1.2 кг/м2 против птичьих 3-4 кг/м2, им этого вполне хватает, конечно.

Я думаю, что у крупных птиц переходные процессы (взлет, посадка, резкие маневры) тоже представляют интерес для науки. Просто их сложнее измерять инструментально, чем маленьких птичек и мышей в стеклянной коробке аэродинамической трубы. Возможно при таких резких маневрах они тоже что-то используют из нестационарного, хотя эффект не может быть значительным и пренебрежим на фоне общего энергопотребления.

Аксиомы:

а) в горизонтальном полете энергопотребление всех птиц, даже мелких воробьиных, с большой степенью точности соответствует расчетам по стационарной аэродинамике. Не смотря на большие различия в вихревом следе (причина этого объяснена парой страниц выше).

б) при медленном полете и висении энергопотребление всегда выше, чем в горизонтальном крейсерском полете. Из-за того что ометаемый движителем объем воздуха уменьшается, законы ньютона никто не отменял. Нестационарные эффекты мелкими мышами и насекомыми используются для работы на повышенных углах атаки, вплоть до 40-60 град. Увеличение угла атаки, как известно, ведет к повышению Cy (энергопотребление при этом конечно растет).

Мы в вертолетах для висения увеличили скорость лопастей, чтобы они при висении продолжали работать на малых самолетных углах атаки. При нашем Re это энергетически более выгодный вариант. А мелкие мыши и насекомые за счет нестационарных эффектов увеличили угол атаки. При их Re ниже критического, возможно это более выгодно. Или задано физиологическими ограничениями.

Никаких чудес или необъяснимых аэродинамических явлений ни в одном эксперименте не обнаружено (расхождения связаны с неточностью измерений, по мере роста точности научных инструментов, они исчезают). Сверхмалые Re, сверхмалая удельная нагрузка на крыло, и отточенная миллионами лет эволюции кинематика, вот и весь секрет.

Кто бы мог подумать, что у того же 35 граммового стрижа при Re = 20 000 аэродинамическое качество при планировании может быть 12-13 единиц (это близко к теоретическому максимуму для неподвижных крыльев по стационарной аэродинамике для такого Re). Тем не менее, независимые измерения подтвердили это. В том числе стационарные продувки чучела стрижа.

Упоминавшийся в этой ветке эксперимент советских ученых (в этом контексте звучит почти как британских), что чучело вороны при продувках не может иметь качество выше 3-4 единиц, это миф. У нее, вероятно, качество под 8-10 единиц. Что кстати соответствует наблюдениям в живой природе.

 

[DesertEagle]

Тепловая энергия не из этой оперы, просто повышенные аэродинамические коэффициенты помогают снизить скорость а значит и мощность.

Нет. Мощность зависит от скорости отбрасываемого крыльями воздуха. Ибо N=F*v. Поэтому привязана к размеру движителя, к тому сколько он может "захватить" воздуха вокруг. От аэродинамических коэффициентов мощность не зависит. В смысле, от одного Cy не зависит, например. Только от двух сразу разве что, показывающих общую эффективность движителя, его способность захватывать объемы окружающего воздуха.

Какие у машущих крыльев есть возможности захватить объем воздуха например в два раза больше, чем такие же по размеру неподвижные крылья? Учитывая, что даже неподвижные захватывают  как цилиндр диаметром как их размах. Да никаких. Единственный способ - сверхмалые Re, как у воды. Чтобы дунул тонкой струйкой, а она затянула за собой здоровенный водоворот за счет большой вязкости.

У птиц и человека свойства воздуха так сильно не отличаются.

Вообще, я сильно подозреваю, что полученные у мышей высокие Cy относятся к скорости полета всей мыши, без учета что крылья движутся назад, как у голубя. Или как отступающая лопасть у вертолета.

Давайте у вертолета тоже не будем учитывать собственное движение лопасти относительно корпуса вертолета, а будем смотреть только на поступательное движение всего вертолета. Как смотрим на поступательный полет всей мыши на скорости 1 м/с (но машущей крыльями на 17 Гц).

Итак, масса вертолета 300 кг. Лопасть шириной 0.25 и длиной 6 метров, площадь "крыла" лопастей получается 6*0.25=1.5 м2. Найдем Cy вертолета при поступательной скорости 1 м/с: L*2/(p*S*V^2) = 300*2/(0.125*1.5*1.5^2)=1422 единиц. куда там мышам с их жалкими нестационарными 4 единицами  ;D

P.S. это конечно требует проверки, возможно у мышей Cy находился корректно. но это же биологи, а не аэродинамики, они такие нюансы не всегда понимают. сравнили полет мыши с полетом самолета по одинаковым формулам, да и все.

 

[DesertEagle]

Тепловая энергия не из этой оперы, просто повышенные аэродинамические коэффициенты помогают снизить скорость а значит и мощность.

Читайте оригинал, там несколько десятков страниц мелким шрифтом со всеми подробностями. Конкретно этот момент

Как видите, измеренная на мышцах мощность получилась 7.59 Вт, а измеренная механическая мощность подъема 8.12 Вт. Они пишут что схождение хорошее, потому что сами понимаете, если 7.59 Вт это истинная затраченная мышцами мощность, а на выходе 8.12 Вт, то значит недостающие 0.53 Вт откуда-то взялись. Из тепла окружающего воздуха, например. Вот вам и вечный двигатель  🙂. На выходе больше мощность, чем на входе.

На самом деле механическая мощность подъема N=F*v=3.1 Н * 2.62 м/с = 8.12 Вт это истинная мощность подъема. Если кпд голубиных машущих крыльев как движителя будет например 90% (что при таком диаметре и нагрузке вполне возможно и считается типичным для птиц), то затраченная мышцами мощность будет 8.12/0.9 = 9 Вт.

И схождение полученных экспериментально 7.59 Вт и 9 Вт при кпд машущих крыльев 90%, вполне нормальное для такого эксперимента. Там ведь сложно мерять.

Методик для расчета винтов под такие Re, чтобы найти какой будет кпд у аналогичного винта с равномерным вращением, насколько я знаю, не существует. Можно попробовать поискать у рекордных комнатных моделей.

Найдем Cy вертолета при поступательной скорости 1 м/с: L*2/(p*S*V^2) = 300*2/(0.125*1.5*1.5^2)=1422 единиц. куда там мышам с их жалкими нестационарными 4 единицами  

Нет, у них похоже все определено корректно. Потому что подставив площадь крыла и массу мыши при 1 м/с, ошибочный псевдо Cy получился бы Cy=0.0107*2/(0.125*0.00884*1^2)=19. Значит у них 4 единицы это реальный при махах с учетом собственного движения крыльев.

 

[KV1237542]

Но на скорости 1 м/с, когда такая мышь летит почти как голубь, выворачивая крыло и делая махи назад, максимальный измеренный Cy составил 4, вместо положенных для такого Re стационарных 2 единиц. 

Н вот на малых скоростях так и может быть.

 

[KV1237542]

Соберу-ка я все в кучу:
1 Лилиенталь Сх маленькой плоскости - 9, Сх большой - 25
ошибся?+ не проверил? сфальсифицировал? 19 век другие люди, весь текст корректен и приятен для чтения, мотивов для фальсификации - нет. Никто не подтвердил но и не опроверг. Жалюзи в фильме сделаны халтурно скорее всего и возможно ткань вообще не пропитана

2 Виноградов: орнитоптерный прибор посчитайте сами: для скорости ветра 6м/с, размах 3м, площади 4,4м2, частоты 0,67гц
амплитуды 72 град, подъемная сила -375Н, тяга - 25Н Общая затраченная мощность - 610 Вт
Судя по описанию установки это средняя ПС и тяга полученная с крыла уже как "чистый доход".
Су средний без учета маха вверх - вниз возьмем для точки 0,66L/2 это правомерно, учитывая форму крыла в плане:
получаем Vверт=5м/с, Vобщ=7,8м/с. Су средний = 2,28, ПОСМОТРИТЕ НА ТЕ КРЫЛЬЯ У НИХ И ДЫРКА В ЦЕНТРОПЛАНЕ.
ну что-ж опять ошибка и фальсификация.
Попробуйте кстати на этих крыльях с этой мощностью/скоростью полететь хоть по самолетному хоть по вертолетному.

3 Герасимов С.А. Сх плоского диска = 6,5 - наше время -??????? похоже на малые плоскости Лилиенталя.

4 Истечение газа из трубы аномальное увеличение тяги не помню конкрт. документ но их несколько.

5 Ф-лы Болдырева. Не знаю как у кого у меня после проверки тяга на месте полностью соответствует у КАА, мощность нет - врать не буду. Если взять предкрылок и разбить на части и посчитать силу сопротивления квазистационарно то таких усилий не получается. (Тяга - это проекция ПС).

6. Вашего голубя и летучую мышь пока сюда же до кучи.

7. Что делать бедным животным если Су/Сх невелик и нельзя сильно вывернуть крыло и развить большую частоту - правильно увеличить в разы оба коэффициента и снизить скорость - мощность. Если бы струя у них была непрерывной тут было бы противоречие но у них струя пульсирующая и в каждый момент направлена в разные немного стороны и такая лазейка у них есть с точки зрения физики. Так что законов не нарушаем.
Вот другая аналогия: взрыв в воздухе/в вакууме - есть разница? а реактивный двигатель? - нет.
Представьте вертолет который делает 1 оборот в спокойном воздухе, а затем берет паузу и струя слегка затихает до след. раза.

 

[DesertEagle]

Соберу-ка я все в кучу:

Хех, пришли к тому с чего и начинали. Берем вещи, по которым нет точных данных, как погрешность 20% замера мышечной мощности у голубя или эти данные, по которым нет независимых подтверждений, и начинаем строить гипотезы. Я пытаясь следовать бритве оккама, не плоди сущностей сверх необходимого, вы в романтической надежде открыть неизведанные до сих пор секреты природы.

Спор разрешат только новые экспериментальные данные. Подождем пока разрешение камер и точности измерений повысятся, чтобы устранить последние неясности.

Повторюсь, ни в одном из документов журнала Экспериментальная биология (лидирующий рецензируемый журнал в мире по животной физиологии), которые я просмотрел, нет сенсации или чего-то, выходящего за рамки того что ученые и так знали либо предполагали. Да, в течении жидкости при малых Re еще много чего есть изучать. Но ничего такого, что может быть полезным для снижения мощности полета человеческих ЛА, ученые в полете птиц пока не обнаружили.

Нет ну не крутите: идеальный! пропеллер ф50см х 310г потребует в 2 раза больше мощности чем голубь.

А какую мощность затратил голубь при взлете? Мы же этого не знаем. Там по тензодатчику получилось 7.59 Вт, а механическая мощность подъема 3.1 Н на 2.5 м со скоростью 2.62 м/с равна 8.12 Вт.

То есть мощность, развиваемая мышцами голубя, никак не может быть меньше 8.12 Вт, иначе получится вечный двигатель. Это оценка мощности голубя снизу.

А в таком случае при его массе 316 грамм, удельная мощность мышц выходит не меньше 8.12/0.316=25.69 Вт/кг. На практике больше на кпд машущих крыльев голубя как движителя.

Статья об этом, что измеренная напрямую мощность мышц хорошо соответствует теоретическим вычислениям. Насколько хорошо, 20-30%? Это все еще хорошо, я считаю, учитывая сложность измерения.

Но я понял о чем вы, что винт 50 см никогда не сможет развить в таких условиях кпд, близкий к нестационарным махам 50 см крыльев голубя. Это вполне возможно, согласен. У меня для винта 50 см по расчету тоже получается 15.6 Вт (Power Absorbed). Обратите внимание, что выходная механическая мощность от тяги (Power Output) равна 8.12 Вт, как и должно быть. Маленькая проверочка, так сказать.

Кпд винта в этом примере составил 52%. Я заметил, что с повышением шага кпд растет, но дальнейшему увеличению шага мешает срыв потока на лопастях (я даже ввел в настройках 4 лопастной, но и этого не хватило). Если голуби за счет нестационарности смогли повысить углы атаки, а они так и сделали, то вполне вероятно что тем самым повысили пропульсивный кпд своего машущего "винта". Потому что я верю, что он у голубей должен находиться на уровне 70-90%.

Другую возможную причину я уже назвал. Та же, по которой вот такой гребной винт может иметь кпд 80%, не смотря на его форму, совсем непохожую на воздушные винты.

Учитывая малые Re голубя, вполне может оказаться что винт диаметром 50 см в таком размере будет соответствовать, скажем, винту 80 см в нашем, для которого мы считаем винты по своим методичкам.

А в таком случае кпд винта будет уже 67% и мощности потребуется 12.14 Вт:

Какой кпд у крыльев голубя в данном режиме, неизвестно. Ясно что он не должен особо уступать 50 см винту. Малые Re, углы атаки под 60 град (признак нестационарности, другими способами этого не добиться). То есть точно будет не меньше 52%. И генерируемая мышцами мощность, соответственно, не выше 15 Вт. Я бы проголосовал за кпд 80-90% и мощность 9-10 Вт. В эксперименте замером тензодатчиком получилась 7.59 Вт. Я все еще разделяю мнение авторов статьи, что это хорошее схождение, хоть и меньше реальной.

 

[DesertEagle]

Если же голуби действительно могут летать на 18 м/с, а максимальная мощность ограничена взлетным режимом, то есть 9-12 Вт, то получается

АК = 3.1*18/(9..12) = 6.2 ... 4.65

Имхо, на 65 км/час качество 6.2 вряд ли есть, поэтому второй вариант вероятнее. Это, кстати, косвенно говорит о кпд при вертикальном взлете, который скорее всего на уровне 70-80%. На 20-30% выше, чем у винта, рассчитанного без учета числа рейнольдса.

 

[DesertEagle]

.и если принять вес птицы 4 Н (в статье не нашёл ,думаю она потяжелее голубя) 

Ну почему же, там написано 174 грамм:

АК=P*v/N=1.7*10/1 = 17

Однако, что это за минимум на 10 м/с? На 8 м/с было 1.8 Вт, потом на 10 м/с стало 1 Вт, а потом на 12 м/с снова 1.3 Вт?

Такого качества у сороки не может быть. Видимо, погрешность такого метода измерений довольно велика. Да они и сами пишут, что метод дает несколько заниженные значения из-за того что не учитываются мышцы для маха вверх и еще какие-то боковые (трудно перевести).

Но в целом, результаты сходятся с замерами на голубях, в горизонте около 10 Вт/кг, а при вертикальном взлете и медленном полете, около 21 Вт/кг. Думаю, накинуть процентов 20-30% можно смело.

Они там пишут (подчеркнуто красным выше), что измеренная таким образом мощность близка к механической мощности при полете птицы. То есть это можно трактовать как очень высокий кпд машущих крыльев сороки. Но как мы уже убедились, понятие "близко" в таких экспериментах весьма расплывчато ). Видимо достигнуть даже такой сходимости в подобных замерах через напряжение костей скелета, это уже успех. Журнал ведь экспериментальной биологии, что показали приборы, то и опубликовали. А погрешность замеров это уже другой вопрос.

 

[DesertEagle]

Но несомненно одно, при висении и вертикальном взлете, мощности птицам требуется намного больше (примерно в два раза), чем при крейсерском горизонтальном полете.

А раз мы не можем сделать привод достаточной мощности даже для горизонтального полета, то о вертикальном взлете говорить рановато, не находите?

 

[DesertEagle]

Третий вид птиц, мощность мускулов которых измерялась таким же способом, были скворцы.

Мощность грудных мышц получилась 104 Вт/кг (к массе мышц) на скорости 14 м/с. Не сказано какую долю в весе скворца занимают грудные мышцы, но если как у голубя около 20%, то мощность к весу всей птицы получается 104*0.2=20.8 Вт/кг.

В горизонтальном полете, заметьте. Объясняют это меньшим весом скворцов (72 грамма против 310 у голубей) и поэтому большей удельной мощность. Учитывая вес 72 грамма и предположительную долю грудных мышц 20%, мощность на 14 м/с получаем 104*0.072*0.2=1.5 Вт.

Что дает АК = (0.072*9.8)*14/1.5 = 6.59

Ну не знаю, имхо многовато для скворца на 50 км/час. Хотя если учесть, что по предыдущим экспериментам при таком методе мощность всегда выходит меньше реальной, и на самом деле качество у скворца будет около 5 единиц, то вроде реалистично...