2009-06-17

楓樹種子與動物利用相同的飛行技巧

Maple seeds and animals exploit the same trick to fly (w/Video)
http://www.physorg.com/news163948977.html

※ maple 正確譯法應為「楓樹」而非「槭樹」。另外,「槭」發音在古代讀為「戚」,而現在卻唸成了「促」,其濫觴為「大徐」的「說文解字注」,清代段玉裁則使「促」音發揚光大。除了發音之外,楓樹、楓香的誤認,也請詳見前台大植物系李學勇教授的辨正:http://tnl.org.tw/article/taxa/maple/chi.htm

June 11th, 2009

當楓樹的種子從樹上落到地面時,它如同縮小的直升機般快速旋轉。因為當它們旋轉時會緩慢地落下,所以它們能乘風飛行,並散布到遙遠的距離。正是種子怎樣設法降落的如此緩慢,使科學家們感到困惑。

一篇發表在 6/12 當期 Science 期刊上的研究中,來自荷蘭 Wageningen大學以及加州理工(Caltech)的研究者,描述這種迷人旋轉種子的空氣動力學祕密。

這項研究(由 David Lentink,Wageningen 助教授,以及 Michael H. Dickinson,加州理工 Zarem 生物工程教授所領導)揭露:當楓樹種子朝地面緩慢旋轉(spin)時,它藉由打轉(swirling)在種子前緣(front leading-edge)上方產生一種如龍捲風般的渦流(vortex)。這種前緣渦流降低了楓樹種子上層表面的氣壓,有效地向上吸風以對抗地心引力,使它抬升。相較於沒打轉的種子,這種渦流使其所產生的升力加倍。

這種使用前緣渦流來增加升力的方法與昆蟲、蝙蝠以及蜂鳥所利用的技巧非常相似,那時牠們會前後擺動翅膀以便盤旋(hover)。這項發現意味著植物與動物為了改進其飛行效能,已經在一種理想的空氣動力學解決方案上產生了趨同演化。

為了測量打轉種子所創造的氣流,科學家們打造出半徑約 5 吋(比楓樹種子大 5-10 倍)的塑膠種子模型。透過一種特殊設計的機器人(修改自加州理工一種被稱為「Robofly」的裝置),這些塑膠種子旋轉通過一槽礦物油。在這之前,Robofly 幫忙測定使昆蟲維持在高空的空氣動力。

模型種子的尺寸、它旋轉通過油槽的速度以及油的黏性都經過選擇,故這套模型所產生的流體流動特性,與真正楓樹種子所產生的那些完全一樣 -- 只是流動經過油而非空氣。

接著,科學家使用強力雷射創造出雷射光牆(a sheet of light),那使添加至油中的微小玻璃珠發光。接著,當模型種子旋轉通過油槽時,他們使用一部攝影機來捕捉珠子的運動。影像(詳見原站)揭露一個龍捲風般的渦流出現,那位在旋轉種子的前緣附近。附加在模型種子的力測量證明,打轉的渦流創造出額外的升力,當種子往地面旋轉時,那會起作用減緩它的下降。

為了要驗證這種來自機器人種子模型的結果,該團隊在 Wageningen 大學建造一座風洞來檢查當真實楓樹種子自由旋轉時,由它們所創造出來的流動。煙霧用來將旋轉種子周遭的空氣流動視覺化。32 種樣本的研究證實,真實種子確實產生一種渦流,那產生異常的高升力,而且這種渦流在空氣動力學上與盤旋的昆蟲、蝙蝠與蜂鳥在拍動翅膀時所創造出來的渦流結構類似。

這項研究也許已涉及旋轉降落傘 -- 太空總署已設計出那種降落傘,用來減緩未來行星探測器的墜落,以便探測行星(如火星)的大氣 -- 以及微型直升機的設計。

"對於一架微型直升機而言,楓樹種子能代表最基本且最簡單的設計 -- 如果這種旋轉翅膀能透過一具微馬達提供動力," Lentink 說。單槳(單旋翼,Single-rotor)直升飛機已經被建造出來,而且能以大約一公尺的翼長成功飛行,但人們未曾在楓樹種子的尺度上做過。

"微型空中飛行器的開發獲得高度關注,但因為它們的大小,所以得要利用那些小型的、天生的飛行裝置,例如昆蟲與楓樹種子,所採用的相同物理學原理," Dickinson 表示。例如,Lockheed Martin(洛克希德馬丁)試圖開發廉價的「楓樹種子無人駕駛相機(maple seed drone cameras)」,那能大量部署以便監視,"雖然這項計畫不再受到資助," Lentink 說。

他補充這對於未來的航太工程師而言仍是一種開放的挑戰,而他們的楓樹種子空氣動力研究,也許能幫助設計出第一款成功運轉的「楓樹」直升機。在過去幾年,Lentink,一位航太工程師,已設機出可操作的飛行(flying)、拍動(flapping),與可變形的微型空中飛行器,其靈感來自昆蟲與鳥類的飛行研究。

※ 相關報導:

* Leading-Edge Vortices Elevate Lift of Autorotating Plant Seeds
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/324/5933/1438
D. Lentink, W. B. Dickson, J. L. van Leeuwen, M. H. Dickinson
Science 12 June 2009: Vol. 324. no. 5933, pp. 1438 - 1440
doi: 10.1126/science.1174196
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2 則留言:

fsj 提到...

納粹隱形戰機 領先美30年

【聯合報╱編譯陳世欽/報導】 2009.07.09

※更多新聞請看udn共享書籤/納粹幾乎造出隱形戰機

倫敦每日郵報8日報導,美國諾斯洛普葛魯曼國防承包商的工程小組最近根據藍圖重建納粹德國的Ho 2-29 隱密轟炸機,獲得驚人的結果。

Ho 2-29的名字來自發明它的何登(Hoten)兩兄弟。該機所用的材料在1940年代可取得,它的造型流線優雅,翼展與速度大於此前建造的任何飛機,效率更高,隱密的性能使它能夠避開雷達偵察,是當時首見的隱密轟炸機,比美國發展出隱密戰機技術早了30年。

專家一致認為,如納粹工程師的時間可再多一點,此轟炸機即可大量部署,進而改變二次大戰結果。納粹工程師1944年3月首次建造並實地測試Ho 2-29,只建造3架原型機,且未能在盟軍開進德國前量產。

大戰時期的德軍配備裝甲戰車、V-2火箭等裝備。專家認為,德國當時的工業水準明顯領先盟國。1943年,德軍高層認為,戰局已開始對德不利。他們試圖以新武器扭轉頹勢。

除這些原因外,希特勒也試圖研發航程可達美國本土的轟炸機。1943年,納粹空軍司令戈林要求工程專家建造最高時速1000公里,航程超過1000公里,可承載1000公斤酬載物的轟炸機。1944年,工程專家在德國哥廷根建造原型機,號稱可達到上述性能,從柏林飛到紐約轟炸再回航,不需加油。

原型機最重要的創新是機身塗上炭灰與木膠的混合物,可吸收雷達電磁波;再加上機身的流線造型,即可發揮隱密的功能。戰後美國拿到原型機和藍圖,將其中設計應用在1980年代問世的美國首架隱密戰機F117夜鷹戰機。

fsj 提到...

美無人飛機操作員 首度超越真人飛官

自由時報 2009.08.24

〔編譯管淑平/綜合報導〕未來世代的王牌戰鬥飛行員將是遠離戰場數千公里外、對著電腦螢幕作戰的無人飛行器操作員!美國空軍現在訓練無人飛機操作員的人數,多過真人的戰鬥機飛行員,這是軍方擴大戰場自動化計畫的一環,也意味著戰鬥飛行員退出戰場、由無人飛機取代的時代已經不遠。

21世紀空戰 人坐電腦前

美國空軍正規劃二○四七年前要大舉擴編其無人飛機機隊,此一仍受爭議的軍事思維轉變,在本月初美軍無人飛機炸死巴基斯坦神學士領袖梅蘇德的行動受到鼓勵。目前美軍無人飛機是由受過訓練的戰鬥機飛行員指揮,不過今年起軍方開始訓練無飛行經驗的操作員;目前無人飛機操作員有五百五十名,戰鬥機和轟炸機飛行員各為三千七百和九百名。

美軍無人飛機投入戰場始於布希政府,歐巴瑪上台七個月來加速部署。三年前美軍一次僅能出動十二架無人飛機,現已提高到五十多架。目前,伊拉克和阿富汗戰場部署約五千部機器人載具和無人飛機。二○一五年五角大廈兩千三百億的「未來戰鬥系統」武器採購案中,無人武器設備將佔十五%。空軍近期公布的「二○二○到二○四七年無人飛行器系統戰鬥計畫」報告預期,二○二○年無人飛機經費將大增到五百五十億美元,增幅將在二○四○年代達到最高。

日前美國國防部長蓋茲宣布美國空軍最先進的F-22戰鬥機停產時,稱F-22是針對二十世紀戰爭而設計,就凸顯當前戰略思維的轉變。空軍參謀長史瓦茲將軍說:「無人飛機的作戰力能改變戰場生態。」此外,國內對戰場人員死傷的反感,也提供無人作戰武器成長空間。

「牛津分析公司」指出,未來十年全球無人飛機的研發、採購,美國將佔七十七%和六十四%,目前這塊市場逾五成由美國企業掌握。分析家認為,空軍報告其實已為戰鬥機飛行員這行敲響喪鐘,F-22後繼機種F-35聯合打擊戰鬥機,有可能是美軍最後一項有人駕駛戰鬥機生產計畫。