Tuesday, 11 August 2009

Εμβιομηχανική

Μια μέρα στις αρχές της δεκαετίας του 1980, ο Frank E. Fish παρατήρησε ένα μικρό γλυπτό μιας μεγάπτερης φάλαινας σε γκαλερί γλυπτικής της Βοστώνης. Εξετάζοντάς το λεπτομερέστερα, παρατήρησε ότι τα μακριά, θωρακικά πτερύγια του θηλαστικού, που θυμίζουν πτέρυγες αεροπλάνου, έφεραν κατά μήκος του χείλους προσβολής τους, και σε ισαπέχοντα διαστήματα, εξογκώματα. Ο Fish εξεπλάγη. Όντας ειδικός στην υδροδυναμική της νήξης των σπονδυλοζώων, δεν είχε υπόψη του καμία αναφορά για ύπαρξη πτερυγίων στα κητώδη ή τους ιχθύς και πτερύγων στα πτηνά τα οποία να έχουν τέτοια παράξενα χαρακτηριστικά ―αντίθετα, όλα τα παραπάνω έχουν ομαλά και λεία χείλη προσβολής. Το ανέφερε στη γυναίκα του και εξέφρασε φωναχτά την εικασία ότι ο καλλιτέχνης πρέπει να είχε υποπέσει σε σφάλμα. Ο ιδιοκτήτης, ακούγοντας κατά τύχη τα σχόλια του Fish, και γνωρίζοντας τη σχολαστικότητα και την εμμονή του γλύπτη στη λεπτομέρεια, παρουσίασε στον Fish μετά από λίγο μια φωτογραφία που έδειχνε τα οζώδη πτερύγια της μεγάπτερης φάλαινας. Ο Fish κατέγραψε τις ασυνήθεις αποφύσεις για μελλοντική διερεύνηση του θέματος.

Μετά από διακεκομμένη μελέτη κατά τις δύο δεκαετίες που ακολούθησαν ―που περιελάμβανε και το πριόνισμα πτερυγίων μήκους ώς και 3 μέτρων από μια αποσυντεθειμένη μεγάπτερο που είχε εξοκείλει―, ο καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Δυτικού Τσέστερ στην Πενσιλβανία και διάφοροι συνάδελφοί του έδειξαν πρόσφατα ότι οι αποφύσεις στις ροζιασμένες πλευρές των πτερυγιών των εν λόγω φαλαινών αποδεικνύονται παραδόξως αποτελεσματικότερες, τρόπον τινά, των πιο συμβατικών λείων σχεδίων που εμφανίζονται τόσο στον άνθρωπο όσο και στη φύση.

Σε συνεργασία με τον Laurens E. Howle, μηχανικό του Πανεπιστημίου Duke και ειδικό στη ρευστομηχανική, και τους David S. Miklosovic και Mark M. Murray της Ναυτικής Ακαδημίας των ΗΠΑ, ο Fish κατασκεύασε δύο πλαστικά πανομοιότυπα θωρακικών πτερυγίων μιας μεγάπτερης φάλαινας μήκους 56 εκατοστών το καθένα, εκ των οποίων το ένα έφερε τις χαρακτηριστικές προεξοχές ενώ το άλλο όχι. Σε δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν εντός αεροδυναμικής σήραγγας στη Ναυτική Ακαδημία, το υπό κλίμακα μοντέλο του λείου πτερυγίου συμπεριφέρθηκε όπως μια κανονική πτέρυγα αεροπλάνου. Ωστόσο, το αντίγραφο του πτερυγίου της μεγάπτερης επέδειξε σημαντικά καλύτερη αεροδυναμική απόδοση.

Όπως ανέφεραν οι ερευνητές, τα πτερύγια των φαλαινών, χάρις στο εμπρόσθιο οζώδες χείλος τους, αναπτύσσουν 8% περισσότερη άνωση και περίπου 32% λιγότερη οπισθέλκουσα σε σχέση με τα λεία πτερύγια συγκρίσιμου μεγέθους. Επιπλέον, τα μακριά, οδοντωτά πτερύγια της μεγάπτερης φάλαινας αποτρέπουν την απώλεια στήριξης, ακόμα και κατά τη διεξαγωγή απότομων ελιγμών, από τα φαινομενικά πιο αεροδυναμικά, λεία αντίστοιχά τους. «Οι συγκεκριμένες δομές έρχονται σε τέτοια αντίθεση με τη ρευστοδυναμική όπως την κατανοούμε σήμερα, ώστε κανείς πριν δεν είχε θεωρήσει σκόπιμο να τις αναλύσει» αναφέρει ο Fish.

Γι’ αυτή τη βελτιωμένη απόδοση ευθύνονται κυρίως τα ζεύγη των αντίθετων στροβιλισμών που αναπτύσσονται σε κάθε πλευρά των εξογκωμάτων του χείλους προσβολής ―τα ονομάζουν φυμάτια. «Τα φυμάτια λειτουργούν ως γεννήτορες στροβίλων» εξηγεί ο Ηowle. «Οι περιδινούμενοι στρόβιλοι μεταφέρουν ορμή στο ρευστό, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την προσάρτηση της ροής του στην ανώτερη επιφάνεια του πτερυγίου και όχι τον αποχωρισμό της από αυτή, όπως θα συνέβαινε διαφορετικά. Το φαινόμενο μεταθέτει την εκδήλωση της απώλειας στήριξης για υψηλότερες γωνίες προσβολής.» Ως εκ τούτου, οι μεγάπτερες, ως άλλοι Λεβιάθαν, μπορούν να πραγματοποιούν πιο κλειστές στροφές και ελιγμούς με μεγαλύτερη ευχέρεια ―ικανότητα ιδιαίτερα χρήσιμη για την καταδίωξη των κοπαδιών από ρέγκες και σαρδέλες.

Ο Fish, ο οποίος κατοχύρωσε την ιδέα της άνωσης που προκύπτει από μια οζώδη επιφάνεια, δηλώνει ότι στο άμεσο μέλλον επίκεινται πειράματα με ένα πιο ακριβές μοντέλο πτερυγίου καθώς και λειτουργική βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των φυματίων, τα οποία θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην κατασκευή καλύτερων πτερύγων αεροσκαφών. Η αποτελεσματικότερη αποτροπή της απώλειας στήριξης θα συνέβαλλε περαιτέρω στην ασφάλεια των πτήσεων, ενώ παράλληλα θα καθιστούσε τα αεροσκάφη περισσότερο ευέλικτα. «Η ανακάλυψη αυτή θα έχει πιθανόν εφαρμογή όχι μόνο στις πτέρυγες των αεροσκαφών αλλά και στους έλικες των αεροπλάνων, στα στροφεία των ελικοπτέρων και στα πηδάλια διεύθυνσης των πλοίων» επισημαίνει ο Howle και εικάζει ότι ο επόμενος νικητής του ιστιοπλοϊκού αγώνα America’s Cup πιθανόν να εκτελεί πιο απότομες και κοφτές αλλαγές πορείας χάρις σε ένα οζώδες πηδάλιο.
Scientific American

No comments: