الهندسة والآليات > الصناعة والأتمتة
عنفات هوائية وأجنحة طائرات مستوحاة من زعانف الحيتان
بهاد المقال من تطبيقات علم محاكاة الحياة (البيومكري) رح نحكي عن توفير الطاقة وزيادة فعالية التصاميم باستخدام التقعرات الموجودة على زعانف الحوت الاحدب والتي تعطيه رشاقة وتوزان بالحركة على الرغم من حجمه الهائل.
يتمتع الحوت الاحدب بقدرة عالية على القيام بمناورات كثيرة تحت الماء ويقول العلماء " الحيتان الحدباء تمتلك مجموعة من التقعرات المتميزة تسمى بالحدبات tubercles على زعانفها مما يمكنها من القيام بانعطافات ضيقة جدا خلال مناوراتها للحصول على الغذاء" المقطع العرضي لزعنفة الحوت مشابه لمقطع جناح الطائرة مما دفع الخبراء إلى تقييم عمل الحدبات في مجرى الهواء.
هذه الحيتان قادرة على استخدام زعانفها بزاوية عمل أكبر من الحيتان الاخرى قبل ان تبدأ هذه الزوايا بالتسبب بالانهيار(Stall)-يؤدي ازدياد الحدة الزاوية العملية لزعانف الحوت (او لجناح الطائرة) الى ظاهرة الانهيار. وفي علم الملاحة الجوية مصطلح الانهيار يدل على عدم وجود كمية هواء كافية على السطح العلوي لجناح الطائرة مما يؤدي الى ازدياد الاعاقة لحركة الجناحDrag يترافق مع انخفاض في قوة الرفع lift مما قد يؤدي إلى حدوث انخفاض خطير مفاجئ بالارتفاع.
ولقد تم تقييم فعالية عمل الحدبات عن طريق انشاء نموذج لزعنفة الحوت، يقول الخبراء:" لقد أحضرنا زعنفة حوت حقيقية وقمنا بتصنيع زعنفة مطابقة مع حدبات واخرى بلا حدبات كل زعنفة بطوال 2 قدم تقريبا وقمنا بالتقييم ضمن نفق رياح"
وتظهر الدراسة في نفق الرياح بأن الزعنفة ذات الحدبات تستطيع الوصول الى زاوية عمل اعلى بدون انهيار تصل زاوية عمل الزعنفة الى 11 حتى 17 درجة دون انهيار، وتقابل هذه الزاوية تحسنا في الاداء بقيمة 40%. يقول العلماء ان الزعنفة لا تكتفي بزيادة قوة الرفع للزعنفة وانما تخفض المقاومة مما يمكن الحوت الاحدب من استخدام كمية اقل من الطاقة. يضيف فيش بان الهواء يتحرك موازيا للزعنفة بدل ان يكون عموديا عليها.
تم تسجيل تقنية استخدام الحدبات على العنفات الهوائية وتطبيقات جريان الهواء لشركة ويل باور (Whale Power)- حرفيا طاقة الحوت- التي تقوم بإجراء الابحاث وايجاد التطبيقات لهذا التصميم. وتظهر الصور شفرات عنفة تحوي على حدبات مستوحاة من الحوت وتظهر نتائج التصميم ان لهذه العنفات اداء أفضل عند السرعات المتوسطة بدون اي مشاكل بالأداء وتبدي تحسنا بالأداء عند سرعات الرياح العالية.
بعد نشر هذه الدراسات قام باحثون من هارفرد بإيجاد نموذج رياضي لتفسير هذه الظاهرة الهيدروديناميكية وتضفي هذه المعادلة الرياضية مصداقية على كمية كبيرة من البيانات التجريبية في هذا المجال والتي تؤكد على ان حدبات الحوت تزيد توازن تصميمات الطائرات ورشاقة الغواصات بالإضافة الى تحسين اداء العنفات الهوائية والمائية.
يقول العلماء " لقد تفاجئنا عندما تمكنا من تكرار الكثير من البيانات المستخرجة من النفق الهوائي باستخدام نظرية بسيطة نسبيا".
بين باحثو هارفرد ان هذه الحدبات تقوم بتوزيع الضغط بحيث يحصل الانهيار في بعض اجزاء الزعنفة قبل بقية الاجزاء الاخرى، وبما ان هذه الاجزاء تنهار بزوايا مختلفة فانه من السهل تجنب حصول انهيار كلي مفاجئ، مما سهل رفع الزاوية العملية وزيادة القدرة على تقييم المعوقات الهيدروديناميكية.
وما يزال العلماء يعملون على ايجاد تطبيقات جديدة لهذا التصميم وتقوم بتطوير عدد من شفرات المراوح والعنفات باستخدام هذا النموذج.
لمتابعة باقي أجزاء سلسلة #محاكاة_الحياة (#البيومكري)
المصادر:
مصادر الصور:
