Это число называется числом Струхаля и может описывать передвижение в воздухе или воде, производимое за счет взмахов крыльев или плавников. Оно равно частоте колебаний, умноженной на их амплитуду и разделенной на скорость движения вперед. Крылья и плавники создают своего рода "водовороты" при движении, которые мешают двигаться слишком быстро, заставляют бороться с турбулентностью. Теория предсказывает, что в большинстве случаев максимальная эффективность (КПД) при движении достигается при условии, что значение этого безразмерного параметра находится между 0,2 и 0,4.

К настоящему времени уже было установлено, что рыбы при работе плавниками самым эффективным способом, когда движутся в воде с обычной для себя "крейсерской" скоростью, "пользуются" числом Струхаля из "пикового диапазона". Теперь Грэм Тейлор (Graham Taylor), Роберт Наддс (Robert Nudds) и Адриан Томас (Adrian Thomas) из Оксфордского университета (University of Oxford, Великобритания), задались вопросом, будут ли летающие животные при передвижении также использовать тот же самый узкий диапазон значений. Для этого они изучили движения крыльев и скорости передвижения для 42 разновидностей летучих мышей, насекомых и птиц. Оказалось, что число Струхаля и в этом случае относится к диапазону 0,2 < Sh < 0,4.

"Крейсерская" эффективная скорость всего живого, выработанная в процессе эволюции, как выяснила группа Тейлора, - от шмелей до синих китов, включая макрель, саранчу, голубей и летучих мышей, лежит в этом диапазоне (причем шмели движутся быстрее, чем киты, со скоростью приблизительно 30 км/час по сравнению с "китовыми" 20 км/час). Это правило является настолько всеобщим, что должно позволить биологам однозначно оценивать скорость движения любого, пусть даже вымершего плавающего или летающего животного, просто как следует изучив его анатомию. Этот параметр может даже быть применен к пока еще не открытым инопланетным разновидностям животных. "Если на других планетах будут обнаружены плавающие или летающие организмы, то мы готовы предсказать, с какой скоростью они будут двигаться", - говорят ученые. Достаточно, например, увидеть видеоклип с летящей птицей, умножить размах ее крыльев на частоту взмахов и разделить на 0,3, чтобы получить примерную оценку скорости полета. Таким образом можно было бы даже узнать "крейсерскую скорость" ангелов, если бы кто-нибудь рассмотрел их в полете.

Результат мог бы также помочь проектировщикам робототехнических "шмелей" величиной с обычных насекомых, которые эффективно использовали бы свои крылья. В настоящее время американские военные располагают устройствами размером с птицу, чтобы запускать летающие камеры в здания для наблюдений. Но они хотели бы иметь автоматизированных шпионов намного меньших размеров, которых противник мог бы принять за обычных насекомых. По расчетам оксфордских специалистов, для эффективного полета роботу-шпиону с 15-сантиметровыми крыльями и амплитудой их движений в 10 см необходимо делать около 30 взмахов в секунду.

Впрочем, очень маленькие насекомые все-таки являются исключением из этого общего правила. Дело в том, что для них воздух окажется настолько "вязким", что нормальные правила гидроаэродинамики уже не применимы.

Источники:
Magic number revealed for flying and swimming - New Scientist
One number explains animal flight - Nature News Service
Flying and swimming animals cruise at a Strouhal number tuned for high power efficiency - Nature

Ссылка:
A.B.R.G. Flight Group - QuickTime-ролики

версия для печати

Справка :

Число Струхаля -

критерий подобия нестационарных движений жидкостей или газов. Характеризует одинаковость протекания процессов во времени: Sh = l/vt = wl/v, где v - характерная скорость течения, l - характерный линейный размер, t - характерный для нестационарного движения промежуток времени, w - характерная частота (иногда через Sh обозначают обратную величину vt/l). При расчете колебаний упругих тел в потоках жидкостей или газов (например, колебаний крыла самолёта, перископа и др.), а также пульсации давления в зонах отрыва потока (например, пульсаций давления за обтекаемым телом, на днище ракеты и др.) пользуются эмпирическим законом постоянства числа Струхаля: Sh ~ 0,2-0,3, который выполняется в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса.

Аналогичный критерий Нo = vt/l в механических, тепловых и электромагнитных процессах называется критерием гомохронности. Число Струхаля - частный вид критерия гомохронности, применяемый в гидроаэромеханике, названо по имени чешского ученого В.Струхаля (Строугаль, V.Strouhal; 1850-1923).

(Большая советская энциклопедия, М., 1976)

17.10.2003

Справка :

Турбулентность

При малых скоростях наблюдается упорядоченное течение жидкости (газа), при котором жидкость (газ) перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. Такое течение называется ламинарным. С увеличением скорости в некоторый момент режим течения меняется, оно становится турбулентным. Необычность явления заключается в том, что картина течения жидкости изменяется во времени, даже если внешние условия постоянны. Например, в турбулентном течении в трубе при неизменном перепаде давления на концах трубы скорость жидкости в любой точке пульсирует, меняется во времени. При таком течении жидкости или газа отдельные элементы течения совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям. В таких течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, поэтому скорость частиц, температура, давление, плотность меняются при переходе от точки к точке и во времени не регулярно. Это приводит к интенсивному перемешиванию вещества. Из-за вязкости кинетическая энергия движения жидкости постепенно переходит в тепло.

Школьник.Ру

28.08.2003