Группа исследователей, анализирующих летные характеристики бумажных самолетиков, обнаружила целый ряд неожиданных аэродинамических эффектов. Аэродинамические эффекты, обнаруженные исследователями, могут привести к созданию совершенно нового класса летающих беспилотников, которые функционируют с минимальным количеством движущихся частей.
Что заставляет хороший бумажный самолетик скользить по просторной школьной столовой, но обрекает другие похожие поделки пикировать прямо на пол? Этот вопрос поставил в тупик не одного начинающего запускать бумажные самолетики, и именно он побудил группу исследователей из Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета (NYU) и Корнельского университета искать ответ.
"Исследование началось с простого любопытства о том, что делает хороший бумажный самолетик и, в частности, что необходимо для плавного скольжения", - объясняет доцент Нью-Йоркского университета и соавтор исследования Лейф Ристроф в пресс-релизе, сообщающем о результатах исследования. "Ответы на такие простые вопросы оказались далеко не детской забавой. Мы обнаружили, что аэродинамика того, как бумажные самолетики поддерживают ровный полет, действительно сильно отличается от стабильности обычных самолетов".
Чтобы начать исследование, исследовательская группа проанализировала математические основы полета бумажных самолетиков. Например, бумажный самолетик не имеет двигателя, а полагается на гравитацию при своем движении, подобно парящей птице.
"Птицы легко скользят и парят, а бумажные самолетики, если их правильно настроить, могут скользить на большие расстояния", - говорит соавтор исследования Джейн Ванг, профессор инженерии и физики Корнельского университета. "Удивительно, но до сих пор не было хорошей математической модели для предсказания этого, казалось бы, простого, но тонкого полета на планере".
Вскоре стало очевидно, что в отсутствие математического моделирования раскрытие секретов полета бумажного самолетика потребует некоторых испытаний в реальном мире. Сначала команда использовала для своего бумажного самолетика базовую конструкцию в виде треугольника, которая считается самой простой и эффективной формой. Затем исследователи поместили тонкие отрезки медной ленты на переднюю часть бумажных самолетиков, подобно скрепкам, используемым во многих самодельных моделях. Отрезки медной ленты были размещены в разных местах на каждом самолете, создавая различный центр масс.
"Ключевым критерием успешного планера является то, что центр масс должен находиться в "правильном" месте", - объясняет Ристроф. "Хорошие бумажные самолетики достигают этого с помощью переднего края, сложенного в несколько раз, или с помощью дополнительной скрепки, что требует немного проб и ошибок".
После многочисленных запусков бумажных самолетиков в лабораторных условиях команда нашла оптимальное расположение груза для максимального увеличения дальности полета.
"Если груз находился в центре крыла или лишь немного смещался от середины, самолетик совершал дикие движения, такие как трепыхание или кувыркание", - поясняется в пресс-релизе. "Если вес смещался слишком далеко к одному краю, то флайер быстро устремлялся вниз и разбивался. Между ними, однако, находилось "оптимальное место" для центра масс, которое обеспечивало стабильное скольжение".
Команда повторила эти испытательные полеты, погрузив набор пластин в резервуар с водой и наблюдая за их "скользящим" движением на дне. Свинцовые грузы были размещены в разных местах пластин, чтобы изменить их центр масс, подобно медной ленте на бумажном самолете.
Исследователи объединили все эти накопленные данные для создания специализированного программного обеспечения "симулятора полета", которое позволило им проанализировать и смоделировать полет бумажного самолетика. И к своему удивлению, они не только выяснили, как сделать хороший самолетик, но и узнали, что аэродинамические принципы планера бумажного самолетика (или тонущей тарелки) полностью отличаются от принципов обычного самолета.
"Эффект, который мы обнаружили в бумажных самолетиках, не имеет места для традиционных аэродинамических крыльев, используемых в качестве крыльев самолетов, центр давления которых остается фиксированным на месте под разными углами, возникающими в полете", - сказал Ристроф. "Таким образом, смещение центра давления является уникальным свойством тонких, плоских крыльев, и именно в этом кроется секрет стабильного полета бумажных самолетов".
"Вот почему самолетам необходимо отдельное хвостовое крыло в качестве стабилизатора, - добавил он, - в то время как бумажный самолет может обойтись только основным крылом, которое обеспечивает и подъемную силу, и устойчивость".
Исследование, опубликованное в журнале Journal of Fluid Mechanics, предлагает уникальный взгляд на детскую игрушку, которую строил почти каждый. Что еще более важно, оно также обнаружило целый ряд новых аэродинамических принципов, которые, по мнению исследователей, могут привести к разработке новых типов сверхэффективных специализированных самолетов.
"Мы надеемся, что наши выводы будут полезны в небольших летательных аппаратах", - заключил Ристроф, - "где вам может понадобиться минимальная конструкция, не требующая большого количества дополнительных поверхностей, датчиков и контроллеров".