Физики разобрались с устойчивостью полета чайки
Американские физики построили математическую модель летящей чайки и исследовали устойчивость ее полета по тангажу. Оказалось, что большинство конфигураций, которые могут принимать крылья чайки и ее тело относительно линии горизонта, устойчивы, однако для быстрого маневрирования чайка должна выбирать нестабильные режимы полета. Результаты моделирования могут в будущем пригодиться при проектировании беспилотных летательных аппаратов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
У эволюции животных было достаточно времени, чтобы сделать работу отдельных участков их тела оптимальной. Наука и техника существуют гораздо меньше, поэтому люди часто заимствуют у природы те или иные технические решения в самых различных областях, начиная от робототехники и заканчивая самозаживляющимися полимерами.
Особенно сильно инженеры завидуют птицам, поскольку современные беспилотные аппараты до сих пор уступают им по многим пунктам. Мы уже рассказывали, как исследователи учат свои беспилотники тормозить и приземляться по-птичьи, а также цепляться за ветки когтями, однако способности птиц к воздушной акробатике и поддержке устойчивости полета пока им недоступны.
Важный этап на пути к достижению этой цели — построение адекватной физической модели полета птицы. Это довольно трудная задача не только потому, что ученым приходится работать с уравнениями аэродинамики, а еще и в связи с тем, что птицу сложно формализовать математически, так как ее тело подвижно и имеет нетривиальную геометрию. Последнее, в частности, затрудняет интерпретацию данных, полученных во время наблюдений за живыми птицами с отслеживанием их морфологии и траектории полета. Такое положение заставляет физиков усложнять модели постепенно, включая только определенные степени свободы.
Кристина Харви (Christina Harvey) из Калифорнийского университета в Дэвисе и Дэниел Инман (Daniel Inman) из Мичиганского университета сконцентрировались в своем исследовании на динамической устойчивости по тангажу летящей чайки. Построив механическую модель птицы и применив к ней уравнения аэродинамики, они выяснили, что сгибание суставов крыльев играет ключевую роль в управлении режимом полета. Это действия помогают чайкам переходить от стабильного к нестабильному режиму, чтобы балансировать между маневренностью и устойчивостью.
На летящие самолет или птицу действует множество различных сил и моментов. В зависимость от распределения массы и формы тела (корпуса), режим полета может быть как стабильным (устойчивым), так и нестабильным. Их отличает друг от друга реакция на небольшое возмущение: у нестабильного объекта она будет большая. Стабильные режимы, в свою очередь могут быть статическими, когда механическая обратная связь удерживает направление тела или борта неизменным, а также динамическими, в которых это направление испытывает стабильные колебания.
В случае устойчивости по тангажу (то есть способности летящего тела стабилизировать отклонения носа в вертикальной плоскости), режим зависит от взаимного расположения центра масс и нейтральной точки, то есть такой точки, в которой распределенные силы и моменты могут быть смоделированы точечными нагрузками. Если нейтральная точка расположена позади центра масс, летящее тело считается стабильным, поскольку небольшое отклонение угла атаки от равновесного создает возвращающий момент.
Чтобы разобраться в стабильности полета чаек, физикам было необходимо построить модель птицы с не слишком большим набором степеней свободы. Авторы сделали акцент на устройстве крыльев чайки. Каждому крылу они разрешили сгибаться в запястном, локтевом и плечевом суставах, при этом допускались изменения поперечного угла крыльев и их стреловидности. Ученые не включили в модель хвост птицы, поэтому считали его сложенным.
Физики начали с того, что ограничили диапазон параметров полета, для которых уравнения допускали стабильные решения. Перебрав почти полторы тысячи конфигураций, они выяснили, что для этого угол планирования должен быть в диапазоне от −12,2 до −45 градусов, а угол атаки — более пяти градусов. Равновесные скорости при этом были равны от 11,8 до 29,8 метра в секунду. Сгибы суставов и углы крыльев существенно влияли на скорость и угол планирования. Так, сгибание запястий увеличивало скорость в более чем 80 процентах протестированных конфигураций, а сгибание локтей — в более чем 60 процентах. Это согласуется с поведением множества птиц, в том числе и чаек, использующих этот прием для поддержания скорости при порывах ветра.
На следующем шаге ученные исследовали устойчивости по тангажу всех конфигураций. Оказалось, что большинство из них относится к стабильным режимам. Они также выяснили, что во многих конфигурациях медленные колебания тела относительно положения равновесия быстро гасятся, что плохо подходит для быстрого маневрирования. Физики предположили, что чайки избегают нежелательных отклонений от своей траектории полета, переводя тело на некоторое время в нестабильный режим. Они смоделировали два таких отклонения: поперечный порыв ветра, смещающий угол атаки, и продольный порыв, вызывающий резкое увеличение скорости.
Ранее мы рассказывали, как динамические свойства полета, плавания и ныряния описали с помощью одной модели.
Марат Хамадеев
Эксперименты с проверкой мартовского рекорда прошли научное рецензирование
Китайские физики попытались воспроизвести результаты по комнатной сверхпроводимости в легированном азотом гидриде лютеция при умеренном давлении, опубликованные в марте этого года их американскими коллегами. И хотя в новых экспериментах ученые увидели характерное изменение цвета, полученное их предшественниками, никаких признаков сверхпроводимости они не нашли. Ранее статья с результатами проверки была доступна лишь в виде препринта, но сейчас она прошла рецензирование и вышла в Nature. В марте этого года группа Ранги Диаса из Рочестерского университета опубликовала статью в журнале Nature, в которой утверждалось, что физики смогли получить комнатную сверхпроводимость при давлении в десять килобар для гидрида лютеция, легированного азотом. Это существенно меньше, чем предыдущий рекорд — миллион с лишним атмосфер, при которых сверхпроводит гидрит лантана при температуре, близкой к комнатной. В случае подтверждения другими группами результат группы Диаса существенно продвинет прогресс в поисках сверхпроводимости при более доступных для практического использования условиях. Авторы этой работы известны не только своими достижениями, но и пристальным вниманием коллег, которое привело к отзыву их предыдущей статьи. Тогда речь шла о сверхпроводимости твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 при 15 градусах Цельсия и 1,4 миллиона атмосфер. Подробности этой истории читайте в материале «Под давлением». Новое достижение группы Диаса тут же было подвергнуто тщательной ревизии и перепроверке со стороны других групп, в том числе и экспериментальных. Часть физиков, к примеру, смогла увидеть характерное изменение цвета материала при изменении давления, но никто пока так и не обнаружил сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом. До этого момента все попытки повторить результат группы Диаса представлены лишь в виде препринтов, то есть статей, не прошедших рецензирование. Первыми, кому удалось попасть на страницы крупного научного журнала, стали физики из университета Нанджунга под руководством Хайя Ху Вэня (Hai-Hu Wen). Метод, которым китайские физики синтезировали легированный азотом гидрид лютеция, слегка отличался от метода группы Диаса. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ и рамановская спектроскопия подтвердили, что все три образца, изготовленные авторами, имеют ту же структуру с едва заметным отличием в постоянной решетки. Эксперименты при высоких давлениях подтвердили эффект изменения цвета: с темно-синего через фиолетовый к розовому. Однако это у группы Хайя Ху Вэня это произошло при куда большем давлении — в диапазоне 2–41 гигапаскаля против 10–320 мегапаскалей у группы Диаса. Авторы исследовали в этом диапазоне проводимость и намагниченность, но не нашли свидетельств сверхпроводимости вплоть до двух кельвин — образец демонстрировал металлические свойства. Но вряд ли новая публикация напрямую приведет к отзыву предыдущей — такое возможно, только если она поможет найти методологические ошибки. Это не первый случай в физике, когда результаты исследований, опубликованные в престижнейших научных журналах, противоречат друг другу. Совсем недавно такое произошло в физике элементарных частиц: масса W-бозона, измеренная с помощью данных с Тэватрона, существенно отличилась от таковой, измеренной на БАКе. Обсуждению этой ситуации посвящен материал «Камешек в ботинке».
