Cientistas da Universidade de Hiroshima realizaram um estudo sobre asas de libélula para entender melhor a relação entre a estrutura de uma asa ondulada e os movimentos de vórtice. Eles descobriram que asas corrugadas exibem maior sustentação do que asas planas.



Seu trabalho foi publicado na revista Physical Review Fluids em 7 de dezembro de 2023.

Os pesquisadores decidiram determinar se a ondulação da asa de uma libélula é um ingrediente secreto para aumentar a sustentação. Embora pesquisas anteriores tenham ampliado amplamente o fluxo constante ao redor da asa durante o movimento para frente, o impacto dos vórtices gerados por sua estrutura ondulada na sustentação permaneceu um mistério.

As superfícies das asas de insetos como libélulas, cigarras e abelhas não são planas como as asas de um avião de passageiros. As asas dos insetos são compostas de nervos e membranas, e suas seções transversais consistem em vértices (nervos) e segmentos de linha (membranas). A geometria da forma aparece como uma conexão de objetos em forma de V ou outras formas.

Estudos anteriores mostraram que asas corrugadas, com suas cristas e ranhuras, têm melhor desempenho aerodinâmico do que asas lisas com baixos números de Reynolds. Na aerodinâmica, o número de Reynolds é uma quantidade que ajuda a prever o padrão de fluxo dos fluidos.

Estudos aerodinâmicos anteriores sobre asas corrugadas contribuíram para aplicações em pequenos robôs voadores, drones e moinhos de vento. Como os insetos possuem baixa força muscular, de alguma forma suas asas onduladas devem proporcionar-lhes vantagens aerodinâmicas. No entanto, os cientistas não compreenderam completamente o mecanismo em funcionamento devido à complexa estrutura da asa e às características do fluxo.

Os pesquisadores usaram cálculos numéricos diretos para analisar o fluxo em torno de uma asa corrugada bidimensional e compararam o desempenho da asa corrugada com o de uma asa plana. Eles concentraram seu estudo no período entre a geração inicial do vórtice de ponta e as interações subsequentes antes do desprendimento.

Eles descobriram que o desempenho da asa corrugada era melhor quando o ângulo de ataque, aquele ângulo em que o vento encontra a asa, era maior que 30°.

A estrutura irregular da asa corrugada gera uma sustentação instável devido a estruturas de fluxo complexas e movimentos de vórtice. "Descobrimos um mecanismo de elevação impulsionado por uma dança de fluxo de ar única desencadeada por uma estrutura ondulada distinta. Pode ser uma virada de jogo em relação ao cenário simples de asa de placa", disse Yusuke Fujita, Ph.D. estudante da Escola de Pós-Graduação em Ciências Integradas para a Vida da Universidade de Hiroshima.

Os pesquisadores construíram um modelo bidimensional de uma asa corrugada usando uma asa de libélula da vida real. O modelo consistia em estruturas onduladas mais profundas no lado da borda de ataque e estruturas menos profundas ou mais planas no lado da borda de fuga.

Usando seu modelo bidimensional, eles simplificaram ainda mais o movimento da asa e se concentraram na geração de sustentação instável por meio da translação a partir do repouso. O movimento translacional, ou movimento deslizante, é o principal componente do movimento da asa, além do lançamento e da rotação. A análise dos pesquisadores amplia a compreensão dos mecanismos não estacionários que as libélulas utilizam durante o voo.

A equipe de pesquisa considerou modelos bidimensionais em seu estudo. No entanto, seu trabalho se concentrou na aerodinâmica do voo dos insetos, onde o fluxo é tipicamente tridimensional.

“Se esses resultados forem expandidos para um sistema tridimensional, esperamos obter mais conhecimento prático para a compreensão do voo dos insetos e sua aplicação na indústria”, disse Makoto Iima, professor da Escola de Pós-Graduação em Ciências Integradas para a Vida da Universidade de Hiroshima. .

Olhando para o futuro, os pesquisadores concentrarão suas investigações em modelos tridimensionais. "Começamos com um modelo bidimensional de asa corrugada em uma repentina explosão de movimento. Agora, embarcamos na busca para explorar o aumento de sustentação em uma gama mais ampla de formatos e movimentos de asa. Nosso objetivo final é criar um novo asa de inspiração biológica com alto desempenho através do nosso mecanismo de aumento de sustentação", disse Fujita.

Mais informações: Yusuke Fujita et al, Mecanismo de aprimoramento de sustentação dinâmica do modelo de asa de libélula por interação vórtice-corrugação, Physical Review Fluids (2023). DOI:10.1103/PhysRevFluids.8.123101
Informações do diário: Fluidos para revisão física

Fornecido pela Universidade de Hiroshima