Avioanele de hârtie îi ajută pe cercetători să studieze noi efecte aerodinamice

O serie de experimente care au avut în prim plan avioanele de hârtie dezvăluie noi efecte aerodinamice. Descoperirile făcute de oamenii de știință îmbunătățesc înțelegerea stabilității zborului și ar putea inspira noi tipuri de roboți zburători și drone mici.

„Studiul a început cu o simplă curiozitate cu privire la ce anume face ca un avion de hârtie să fie bun și, în special, de ce anume e nevoie pentru ca acesta să planeze lin”, explică Leif Ristroph, profesor asociat la Institutul Courant de Științe Matematice de la Universitatea din New York.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Studiul este publicat în Journal of Fluid Mechanics.

Avioanele de hârtie nu zboară precum cele din metal

„Răspunsul la astfel de întrebări de bază a ajuns departe de a fi un joc de copii. Am descoperit că aerodinamica modului în care zboară drept avioanele de hârtie este foarte diferită de stabilitatea avioanelor convenționale”, a adăugat Ristroph.

„Păsările planează fără efort, iar avioanele de hârtie, atunci când sunt reglate corespunzător, pot plana și pe distanțe lungi. În mod surprinzător, nu a existat un model matematic bun pentru a prezice acest zbor de planare aparent simplu, dar subtil”, adaugă Jane Wang, profesor de inginerie și fizică la Universitatea Cornell.

Din moment ce putem face să zboare avioane moderne complicate, spun cercetătorii, s-ar putea crede că știm totul despre cele mai simple mașini de zbor.

„Dar avioanele de hârtie, deși sunt simplu de făcut, implică o aerodinamică surprinzător de complexă”, notează Ristroph.

Studiul stabilității zborului

Autorii lucrării și-au început studiul luând în considerare ceea ce este necesar pentru ca un avion să planeze fără probleme. Deoarece avioanele de hârtie nu au motor și se bazează pe gravitație și pe un design adecvat pentru mișcarea lor, sunt candidați buni pentru a explora factorii din spatele stabilității zborului.

Pentru a investiga acest fenomen, cercetătorii au efectuat experimente de laborator lansând prin aer avioane de hârtie cu centre de masă diferite. Rezultatele, împreună cu cele de la studierea plăcilor care cad într-un rezervor de apă, au permis echipei să elaboreze un nou model aerodinamic și, de asemenea, un „simulator de zbor” capabil să prezică mișcările.

Pentru a găsi cel mai bun design, cercetătorii au plasat diferite cantități de bandă subțire de cupru pe partea din față a avioanelor de hârtie, modificând astfel poziția centrului de masă. Greutățile de plumb adăugate plăcilor în apă au servit aceluiași scop.

„Criteriul cheie al unui planor de succes este acela că centrul de masă trebuie să fie în locul ‘exact’. Avioanele de hârtie bune planează cel mai bine având marginea din față pliată de mai multe ori sau cu adăugarea unei agrafe de birou, ceea ce necesită puțină încercare și eroare”, explică Ristroph.

Centrul de masă

În cadrul experimentelor, cercetătorii au descoperit că mișcările de zbor depind sensibil de locația centrului de masă. Mai exact, dacă greutatea era în centrul aripii sau era puțin deplasată de la mijloc, zborul devenea „sălbatic”, avionul fluturând sau răsturnându-se.

Dacă greutatea era deplasată prea mult spre o margine, atunci planorul intra rapid în picaj și se prăbușea. Însă undeva între aceste plasări ale centrului de masă puteau fi găsite condițiile ideale care să ofere o planare stabilă.

Cercetătorii au pus la un loc munca experimentală cu un model matematic care a servit drept bază pentru un „simulator de zbor”, un program de computer care a reprodus cu succes diferitele mișcări de zbor. De asemenea, a explicat de ce un avion de hârtie este stabil în zborul său.

Când centrul de masă este în „punctul favorabil”, forța aerodinamică de pe aripa avionului împinge aripa înapoi în jos dacă avionul se mișcă în sus și înapoi în sus dacă se mișcă în jos.

„Locația forței aerodinamice sau a centrului de presiune variază în funcție de unghiul de zbor, astfel încât să se asigure stabilitatea”, explică Ristroph, citează Tech Xplore.

El a observat că această dinamică nu are loc la aripile de aeronave convenționale, care au profile aerodinamice (structuri ale căror forme generează portanță).

La ce folosește acest studiu despre avioanele de hârtie?

„Efectul pe care l-am găsit la avioanele de hârtie nu se întâmplă în cazul profilurilor tradiționale utilizate ca aripi de avioane, al căror centru de presiune rămâne fix în unghiurile care apar în zbor. Deplasarea centrului de presiune pare astfel a fi o proprietate unică a aripilor subțiri și plate, iar acesta ajunge să fie secretul zborului stabil al avioanelor de hârtie”, spune Ristroph.

„De aceea, avioanele au nevoie de o aripă de coadă separată ca stabilizator, în timp ce un avion de hârtie poate scăpa doar cu o aripă principală care oferă atât portanță, cât și stabilitate. Sperăm că descoperirile noastre vor fi utile în aplicațiile de zbor la scară mică, în care s-ar putea să fie nevoie de un design minimal care nu necesită multe suprafețe de zbor, senzori și controlere suplimentare”, conchide el.

Vă recomandăm să citiți și:

Avertismentul experților: Nu mai purtați pandantive „anti-5G” radioactive

Ce se întâmplă dacă extratereștrii ajung pe Pământ? Răspunsul autorului romanului „Problema celor trei corpuri”

Cum poți purifica un litru de apă de râu doar într-o oră. Comprimatul care face minuni

Un material alcătuit în totalitate din electroni, creat de oamenii de știință. A fost teoretizat în urmă cu 90 de ani