چرا جغد به الگوی محبوب مهندسان برای ساخت هواپیماهای بی صداتر تبدیل شده است؟

اگر پرندگان می توانستند نینجا باشند، جغدها بهترین نینجاها بودند. بی صدا و چابک، این مخلوقات بالدار هیچ فرصتی برای فرار به شکار خود نمی دهند زیرا به یکباره از آسمان بر سر او آوار می شوند. این توانایی پنهانکاری الهام بخش دانشمندان در خلق حرکات بی صداتر برای طرح های آیرودینامیکی در تکنولوژی های پیشرفته امروزی بوده است، از جمله در هواپیماها، خودروها، پهپادها و توربین های بادی. محققان دانشگاه ژیان جیائو تونگ در چین به طو ویژه از بال های جغد به عنوان مدلی برای ساخت تیغه های توربین های ماشینی بی صداتر استفاده کرده اند که وقتی هوا روی لبه های روکش دار سطوح منحنی وارشان جریان می یابد صدای زیادی تولید می کنند. این محققان دریافته اند که تیغه های دندانه دار باعث کاهش سروصدای ماشین های توربینی می شوند، به ویژه وقتی که بیشتر شبیه نوک بال های جغد باشند.

جریان هوایی که روی این شکل های شبیه شانه جریان می یابد، به جای اینکه به شکل خطوط مستقیم جریان یابد دچار شکستگی می شود که صدای شبیه صفیر جغد در هنگام عبور را خفه می کند. پرهای کرک دار دیگر بخش های بال نیز صدا را جذب می کنند. این محققان چینی نتیجه تحقیقاتشان را سال گذشته در مجله Physics of Fluids منتشر کرده اند. ژیائو مین لیو، از نویسندگان این تحقیق در مقاله ای در این باره گفته است: «جغدهای شب زی حدود ۱۸ دسی بل صدای کمتری در مقایسه با دیگر پرندگان در سرعت های پروازی مشابه تولید می کنند که به ساختار منحصربفرد بال های آنان باز می گردد. علاوه بر این، وقتی جغد شکارش را می گیرد، شکل بال هایش دائماً در حال تغییر است و به همین دلیل مطالعه بر روی ساختار نوک باله ها در جریان پرواز جغد اهمیت بالایی دارد».

«حیوان روح» یا توتم مهندسی

از زمان اولین روزهای پرواز انسان، مخترعان همواره از پرندگان الهام گرفته اند. برای مثال، برادران رایت گفته اند که شکل بال های پرندگان نقش مهمی در بلند شدن از روی زمین داشته و به همین دلیل آن ها این ویژگی ها را در طرح هواپیمای مکانیکی شان به کار گرفتند. اما محققان هنوز هم با مشکل سروصدای ناهنجار عبور هوا از روی سطوح صاف موسوم به لبه فرار دست به گریبان هستند، پدیده ای که در آن هوا به شکلی پرسروصدا روی قسمت پشتی یک ابزار آیرودینامیک جریان پیدا می کند. جاستین جاوروسکی، مهندس مکانیک از دانشگاه لیگ در بتلهم، پنسیلوانیا در این باره گفته است :«وقتی ایده های خلاقانه بسیاری را بررسی کرده باشید، به دنبال دیگر ابزارهای الهام گرفتن می گردید. و جغد منبع الهام برای دستکم ۸۰ سال اخیر بوده است».

هوا شبیه یک جریان سیلا عمل می کند که از زیر و روی یک سطح آیرودینامیک عبور می کند، سطحی که با سرعت، جریان هوا را می شکافد و به جلو می رود. برای یک هواپیما یا یک پرئده، این سطح آیرودینامیک همان بال هاست و برای توربین های بادی، تیغه های چرخان. شکل این سطح آیرودینامیک نقش کلیدی در تولید سروصدا دارد. وقتی جریان هوا از روی پشت یک سطح آیرودینامیک عبور می کند، روی سطوح بالا و پایین این سطح دچار تنش و آشفتگی می شود. وقتی این جریان هوا به انتهای آن سطح آیرودینامیک با لبه صاف می رسد که به آن لبه فرار یا لبه پشتی (trailing edge) می گویند، پراکنده شده و سروصدا تولید می کند. جاوروسکی در این باره می گوید: «لبه های دندانه دار می توانند این فرآیند را تا حدودی از طریق بر هم زدن جریان هوای محلی که این سروصدا در آن تولید می شود، تضعیف کنند».

مطالعات قبلی نشان داده است که لبه های فرار دندانه دار باعث کاهش سروصدای ماشین آلات توربینی می شوند اما میزان این کاهش به کلیت آن ماشین بستگی دارد. برخی از ماشین آلات توربینی از این دانش نهایت استفاده را می برند. برای مثال، کمپانی Siemens Gamesa که در هامبورگ، آلمان مستقر است، سال هاست که لبه های فرار دندان دار را به توربین های بادی شان اضافه کرده اند. لیو در مقاله خود در این باره می گوید: «در حال حاضر، طراحی تیغه ماشین آلات توربینی چرخان به تدریج دچار تکامل شده اما تکنولوژی کاهش سروصدا هنوز پیشرفت چندانی نداشته است. توانایی های کاهش سروصدا در ساختارهای معمول دندانه دار بسیار محدود است و به معرفی و توسعه برخی سازه های لبه فرار ناصاف جدید نیاز است تا بیشتر به پتانسیل کاهش سروصدای مضاعف دست پیدا کنیم».

سطوح آیرودینامیک چگونه کار می کنند؟

تخصص اصلی جاوروسکی در حوزه دینامیک مایعات است که مطالعه در مورد مایعات و گازها در حال حرکت را شامل می شود. وی در مورد ویژگی های بال های جغد که مسئول این پرواز تقریباً بی صدا هستند به طور ویژه تحقیقاتی انجام داده است. او در سال ۲۰۲۰ مقاله ای در مورد آیروآکوستیک پرواز جغد در مجله Annual Review of Fluid Mechanics منتشر کرده و در آن تحقیقات مهم گذشته در این حوزه را بررسی کرده است، از جمله تحقیقات خودش در مورد اینکه چطور فیزیک جریان هوا می تواند برای خلق تکنولوژی های بی صدا تر به کار گرفته شود. محققان معمولاً آزمایش هایی را برای اندازه گیری سروصدای جغدهای زنده در حال پرواز انجام می دهند، طرح های آیرودینامیکی خودشان را با تقلید از بال های جغد تست کرده و با استفاده از فرمول های ریاضی، احتمالات طراحی های جدید را مدل سازی می کنند.

در این اثنا، لیو و تیمش هفت طرح لبه فرار متفاوت را با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری بررسی کردند و یک شکل آیرودینامیک مجازی بر اساس بخشی از بال جغد گوش دراز خلق کردند اما اشکال لبه فرار آن را تغییر دادند. آن ها هر مدل نظری را در داخل برنامه ای اجرا کردند که جریان هوا در سرعت هایی که برای ماشین آلات توربینی به کار می رفت را شبیه سازی کردند. تست های آنان نشان می داد که لبه فرار صاف و صیقلی بیشترین میزان صدا را تولید می کند. داشتن بخشی دندانه دار و نوک تیز در قسمت لبه فرار به نحوی باعث کاهش سروصدا می شود. اما وقتی دندانه های مثلثی در لبه سطح آیرودینامیک انحنا داشته باشند و دو لایه ای باشند، شبیه پرهایی که در انتهای بال جغد دیده می شوند، مدل آیرودینامیک بدست آمده بسیار بی سروصداتر است.

یافته های آنان در مورد لبه های فرار صاف و صیقلی نشان می دهد که چرا توربین های بادی و هواپیماها تا به این اندازه پرسروصدا هستند. در مورد هواپیماها، یک لایه مرزی سیال وجود دارد، لایه ای نازک از هوا که روی هر سطحی را می پوشاند. در شرایطی که باله هواپیما هوا را می شکافد، این لایه به سمت لبه فرار قطورتر شده و در نهایت پیوند دوباره ای با هوا در اطراف بال ایجاد می کند. جاوروسکی در این باره می گوید: «مانند تعدادی اسپیکر کوچک می شود وقتی این جریان ها به لبه فرار نزدیک می شوند». این لبه صدا را تقویت می کند؛ جریان باد روی بال در واقع باعث تولید صدایی می شود که همه ما می شنویم، علاوه بر صدای واضح تر موتور در طول پرواز.

چه چیزی پرواز جغد را تا به این اندازه بی سروصدا می سازد؟

جغدها بی صدا پرواز می کنند تا طعمه هایشان که گوش های بسیاری تیزی دارند، نتوانند متوجه نزدیک شدن آن ها شوند. وقتی جغدها از کنار یک سری میکروفون بسیار حساس عبور داده شدند تا سطح صدای تولیدی آن ها را تقویت کند، دانشمندان دریافتند که آن ها تقریباً هیچ صدایی تولید نمی کنند، دستکم گوش انسان قادر به شنیدن این صدا نیست. برای درک بهتر این ماجرا و علت آن، محققان طرح های آیرودینامیک الهام گرفته شده از بال جغد را در قالب مدل های نظری پیاده سازی کردند. جاوروسکی می گوید :«توانایی توصعه این مدل های محاسباتی ساده و الهام گرفتن از آن ها از این بابت مفید است که باعث تولید مدل های بسیار پیچیده تری شده که می توانند ویژگی های واقع گرایانه بیشتری از بال های جغد را نمایان و پیاده سازی کنند».

دیوید لنتینک از دانشگاه استنفورد، پرواز پرندگان را بررسی کرده و نتایج این تحقیقات را در طرح های مهندسی خود به کار گرفت. لنتینک بال های یک بادخورک معمولی (swift) را مورد بررسی قرار داد که پس از ترک لانه اش حدود یک سال می تواند بدون توقف در آسمان بماند. این پرنده از حشرات پرنده تغذیه کرده، آب را از طریق شیرجه زدن روی سطح آب به روی بال هایش منتقل کرده و حتی در آسمان هم جفتگیری می کند. تیم لنتینک در ادامه پهپادی را توسعه دادند که طرح آن بر اساس رفتارهای پرواز این بادخورک ساخته شده بود. او همچنین یک ربات بسیار پیشرفته شبیه پرنده به نام PigeonBot ساخت که توانایی بی مانندی در تقلید حرکات بال های کبوتر در حین پرواز دارد. موضوع این است که ما به کشف اسرار پرواز طبیعی حتی نزدیک هم نشده ایم.

تئوری های بسیاری در مورد اینکه چرا جغدها بی صدا هستند وجود دارد اما هیچ کسی دقیقا و قطعاً نمی داند ترکیب فاکتورها در این موضوع چیست. جاوروسکی در این باره تصریح می کند: «اگر این را می فهمیدیم، می توانستیم چیزهایی را طراحی کنیم که همگی بی صدا هستند». افراد بسیاری تلاش کرده اند شکل هندسی دالبر شکل اطراف لبه فرار بال های پرندگان را روی نمونه های مکانیکی پیاده سازی کنند اما هیچ کسی نتوانسته پرواز بی صدای جغدها را در مدلی به اندازه جثه این پرنده تقلید و تکرار کند. همانند دیگر پرندگان شکارچی، بال های جغد بخش های ساختاری و طراحی و نظم های متعددی دارد و شکل و سایز پرهای آن نیز بسیار متفاوت است. مدل سازی این بخش های بیولوژیکی پیچیده که کارکرد خاص آن ها به طور کامل درک نشده است بسیار چالش برانگیز و دشوار است.

جاوروسکی در این باره چنین اظهارنظر می کند: «آیا تنها یک بخش از بال است که پروازشان را چنین بی صدا می سازد؟ یا ترکیب بخش های مختلف بال است که این موضوع را در پی دارد؟ و جغدها چطور از این ترکیب استفاده می کنند؟ این چیزی است که موضوع را دشوار می سازد. تعداد بیشماری از طرح های برای شکل هندسی لبه ها وجود دارد و بحث ایده آل سازی است. ما دنبال ایده ای هستیم که شاید بتواند راهنمای ما در برنامه تحقیقاتی بعدی باشد»