מחקר חדש מצא כי עופות דורסים משתמשים בזנבם בדרך ייחודית, וחיקוי שלה עשוי לחולל מהפכה בתחום המטוסים הזעירים

תנועת האוויר ממלאת תפקיד מכריע בתעופה. כדי שמטוס או ציפור יוכלו לעוף מבלי לאבד גובה, עליהם לייצר כוח עילוי שיתנגד לכוח המשיכה. כוח העילוי נוצר בזכות הגברת הלחץ בתחתית הכנף ביחס לחלקה העליון, ובזכות חוק הפעולה והתגובה של ניוטון: הכנפיים מסיטות את האוויר בצורה שדוחפת חלק ניכר ממנו כלפי מטה. בתגובה האוויר דוחף את הכנפיים למעלה, ואת המטוס כולו איתן.

במקביל פועל על מטוסים, ציפורים ואפילו על זרעי צמחים כוח נוסף שנקרא גרר, והוא מאט את תנועתם עקב החיכוך עם חלקיקים באוויר. לגרר יש גורמים רבים, וחלקו נובע מעצם יצירת העילוי, כי בתהליך הזה גם נוצרות מערבולות בקצות הכנפיים. כדי להבין את הכוחות המורכבים הללו, חוקרים מרבים לבחון לא רק איך מטוסים משפיעים על זרימת האוויר סביבם, אלא גם אילו טכניקות תעופה יצר הטבע לאותה מטרה. 

למרות הדמיון הרב, ציפורים ומטוסים לא טסים בדיוק באותה צורה. ציפורים מניעות את כנפיהן וכך דוחפות את האוויר אחורה כדי להתקדם. לעומתן, כנפי המטוסים נייחות ויש להם מנוע שמאפשר להם להתקדם. גם כשציפור פורשת את כנפיה לרווחה ודואה, היא עושה את זה באופן שונה מדאון מעשה ידי אדם. בניגוד לכלי הטייס המלאכותי, שתוכנן להיות יציב באופן סביל בלי צורך בפעולות של הטייס, ציפור מפעילה את שריריה ללא הרף ומתקנת באופן פעיל את מעופה. 

מצלמות מתעדות את הבועות המוארות ברגע המעבר של הינשוף דרכן | מקור: Royal Veterinary College
מצלמות מתעדות את הבועות המוארות ברגע המעבר של הינשוף דרכן | מקור: Royal Veterinary College

שביל בועות הסבון

במחקר שפורסם בכתב העת Journal of Experimental Biology בחנו חוקרים מבריטניה את התפקיד שממלא הזנב בדאייה של עופות דורסים כמו בז וינשוף. כדי לבחון את שובל האוויר שנוצר מאחורי העופות, נעזרו החוקרים ביותר מ-20 אלף בועות סבון זעירות, שמולאו בגז הליום כדי להשוות את צפיפותן לצפיפות האוויר ולאפשר להן לרחף בו בציפה נייטרלית, כשלחץ האוויר מאזן לחלוטין  את כוח המשיכה הפועל עליהן. כשהדורסים דאו דרך מסך הבועות, הן נעו כמו האוויר הסובב אותן ומצלמות מהירות תיעדו את תנועתן.

עיבוד אוטומטי של הסרטונים חשף כי הציפורים משתמשות בזנבן בדרך שונה מאוד מזנבות של מטוסים. בעוד זנב המטוס דוחף אוויר למעלה כדי לייצב את טיסתו, זנב הדורסים דחף את האוויר למטה. המערבולות שנוצרו ליד קצות הזנב והכנפיים הסתובבו בכיוונים תואמים, דבר שמעיד כי שני המשטחים – הכנפיים והזנב – דחפו אוויר לאותו כיוון, כלומר למטה. 

לא ברור עדיין מדוע הדורסים משתמשים כך בזנבם, אבל לחוקרים יש כמה השערות. ראשית, נראה שכאשר הזנב והכנפיים דוחפים אוויר לאותו כיוון מתקבל כוח עילוי רב יותר ויעיל יותר. הזנב מאפשר לאוויר לתמוך במשקלה של הציפור לאורך כל גופה גם בדאייה איטית, וכך עשוי למנוע הפחתה מסוכנת של כוח העילוי שתוביל להזדקרות. השערה שנייה היא שהזנב מפחית כך את כוח הגרר בדרך מורכבת שאינה ברורה עדיין עד תומה. נראה שזה משמעותי בעיקר לתעופה של גופים קטנים במהירויות נמוכות, למשל עופות ומטוסים זעירים. מנגנון כזה לא יעבוד במטוסי סילון עצומים. 

מחקרים כאלה עשויים להוביל לשינויים מרחיקי לכת באופן שבו אנו מתכננים כלי טיס זעירים. ככל שכוח החישוב וטכנולוגיות הבקרה והחישה שלנו משתפרים, הולך ומתקרב היום שבו נוכל לבנות מטוסים עם מנגנוני ייצוב פעילים מתוחכמים. בדרך זו, חיקוי הטכניקות שסיגלו לעצמם בעלי החיים במהלך האבולוציה עשוי להוביל אותנו לתכנון כלי טיס טובים יותר. 

 

סרטון קצר של כתב העת נייצ'ר על המחקר (באנגלית): 

 

4 תגובות

  • Tomer Avraham

    תיאור לעילוי דגוי

    לחץ ומהירות מצומדים במשוואות נאווייר סטוקס.
    להלן קישור להסבר מתאים לעילוי:
    https://tomer-cfdisrael-tenzorblog.com/2019/07/08/engineering-turbulence...

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    תודה על ההערה. כמובן שמטוסים

    תודה על ההערה. כמובן שמטוסים וציפורים חייבים לנוע כדי ליצור את כח העילוי, אשר תלוי בין היתר במהירות שלהם. משוואות נאווייר סטוקס אכן מסבירות את התופעה במלואה, אך הן קשות מאוד לפתרון ולהבנה (למעשה מציאת פתרון מלא שלהן או אפילו רק הבנה טובה יותר של הקיום והתכונות שלו, הוא אחת מהבעיות הפתוחות הגדולות בפיסיקה). להרחבה מעבר להסבר המקוצר, אני ממליץ לקרוא את הכתבה שבקישור תחת המילים ״לייצר כוח עילוי״ בפסקה הראשונה.

  • הרצל

    מרכז הכובד

    היות והכנפיים בציפורים מחוברות בקדמת הגוף, בכתפיים בהשוואה לאנשים, הרי שקדימה לכנפיים יש רק את הראש והצוואר, ומאחוריהן כל הגוף והרגליים. לכן מרכז הכובד נמצא מאחורי הכנפיים. אז לשם האיזון, צריך שיהיה עילוי גם בזנב. גם במטוסים הזנב מופעל לתיקון כוחות שהסך הכל שלהם לא עובר במרכז הכובד. מאמר יפה! נחכה להמשך המחקר.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןיובל רוזנברג

    לא מדויק

    תודה על התגובה.
    אתה צודק שאיזון התעופה ע״י הזנב תלוי במיקום מרכז הכובד של הציפור ביחס למרכז הלחץ של הכנפיים (הנקודה בה ניתן לדמיין את כל הלחץ מהכנפיים פועל) . מצד שני, תעופה של ציפור (ואפילו של מטוס) היא הרבה יותר מורכבת מאשר שני הפרמטרים האלו לבדם, ואפילו ניתוח מיקום מרכז הלחץ של ציפורים הוא לא כל כך פשוט. הציפור יכולה למשל לשנות את מרכז הלחץ ע״י הזזת ושינוי צורת הכנפיים. מרכז הכובד עצמו נמצא בדרך כלל בין מרכז הכנפיים לחלקם הקדמי, ולא מאחוריהן כפי שהצעת (אך עדיין יכול להיות מאחורי מרכז הלחץ). המורכבות הרבה של תעופת הציפורים מחייבת לחקור את האוויר שנע סביבן כדי להבינה לעומק. לא ניתן למשל להסתפק בניתוח מבנה של ציפור סטטית (למרות שזה פשוט יותר ובכל זאת מספק מידע רב).