Papieren vliegtuigjes pronken met nieuwe aerodynamische effecten
Een reeks experimenten met papieren vliegtuigjes heeft nieuwe aerodynamische effecten aan het licht gebracht, rapporteren onderzoekers.
De bevindingen vergroten ons begrip van vluchtstabiliteit en kunnen nieuwe soorten vliegende robots en kleine drones inspireren.
"De studie begon met een simpele nieuwsgierigheid naar wat een goed papieren vliegtuig is en specifiek wat nodig is voor soepel glijden", zegt Leif Ristroph, universitair hoofddocent aan het Courant Institute of Mathematical Sciences van de Universiteit van New York en auteur van de studie in de Journal of Vloeistofmechanica.
"…papieren vliegtuigen, hoewel eenvoudig te maken, hebben een verrassend complexe aerodynamica nodig."
“Het beantwoorden van zulke fundamentele vragen bleek uiteindelijk verre van kinderspel. We ontdekten dat de aerodynamica van hoe papieren vliegtuigen horizontaal vliegen echt heel anders is dan de stabiliteit van conventionele vliegtuigen.”
"Vogels glijden en vliegen op een moeiteloze manier, en papieren vliegtuigen kunnen, als ze goed zijn afgesteld, ook lange afstanden afleggen", zegt auteur Jane Wang, een professor in techniek en natuurkunde aan de Cornell University. "Verrassend genoeg was er geen goed wiskundig model om deze schijnbaar eenvoudige maar subtiele glijdende vlucht te voorspellen."
Omdat we gecompliceerde moderne vliegtuigen kunnen laten vliegen, zeggen de onderzoekers, zou je kunnen denken dat we alles weten wat er te weten valt over de eenvoudigste vliegmachines.
"Maar papieren vliegtuigjes zijn eenvoudig te maken, maar hebben een verrassend complexe aerodynamica", zegt Ristroph.
'Precies goed' zwaartepunt
Om hun studie te beginnen, hebben onderzoekers overwogen wat er nodig is om een vliegtuig soepel te laten glijden. Omdat papieren vliegtuigen geen motor hebben en afhankelijk zijn van de zwaartekracht en een goed ontwerp voor hun beweging, zijn ze goede kandidaten voor het onderzoeken van factoren achter vliegstabiliteit.
Om dit fenomeen te onderzoeken, voerden de onderzoekers laboratoriumexperimenten uit door papieren vliegtuigjes met verschillende zwaartepunten door de lucht te lanceren. De resultaten, samen met die van het bestuderen van platen die in een watertank vielen, stelden het team in staat een nieuw aerodynamisch model te bedenken en ook een "vluchtsimulator" die de bewegingen kan voorspellen.
Om het beste ontwerp te vinden, plaatsten de onderzoekers verschillende hoeveelheden dunne kopertape op het voorste deel van de papieren vlakken, waardoor ze verschillende zwaartepuntlocaties kregen. Loodgewichten die in water aan de platen werden toegevoegd, dienden hetzelfde doel.
“Het belangrijkste criterium van een succesvol zweefvliegtuig is dat het zwaartepunt zich op de 'precies juiste' plaats moet bevinden', legt Ristroph uit. "Goede papieren vliegtuigjes bereiken dit met de voorkant meerdere keren omgevouwen of door een toegevoegde paperclip, wat een beetje vallen en opstaan vereist."
In de experimenten ontdekten de onderzoekers dat de vliegbewegingen gevoelig afhingen van de locatie van het massacentrum.
In het bijzonder, als het gewicht zich in het midden van de vleugel bevond of slechts iets uit het midden verplaatste, onderging het wilde bewegingen, zoals fladderen of tuimelen. Als het gewicht te ver naar één rand werd verplaatst, dook de vlieger snel naar beneden en stortte neer. Daartussenin was er echter een "sweet spot" voor het zwaartepunt dat stabiel glijden gaf.
Aerodynamische 'sweet spot'
De onderzoekers koppelden het experimentele werk aan een wiskundig model dat als basis diende voor een 'vluchtsimulator', een computerprogramma dat met succes de verschillende vliegbewegingen reproduceerde. Het hielp ook verklaren waarom een papieren vliegtuigje stabiel is in zijn glijvlucht.
Wanneer het zwaartepunt zich op de 'sweet spot' bevindt, duwt de aerodynamische kracht op de vleugel van het vliegtuig de vleugel terug naar beneden als het vliegtuig omhoog gaat en weer omhoog als het naar beneden beweegt.
"De locatie van de aerodynamische kracht of het drukpunt varieert met de vlieghoek op een zodanige manier dat stabiliteit wordt gegarandeerd", legt Ristroph uit.
Hij merkt op dat deze dynamiek niet optreedt bij conventionele vliegtuigvleugels, die vleugelprofielen zijn – structuren waarvan de vormen werken om lift te genereren.
"Het effect dat we in papieren vliegtuigen hebben gevonden, treedt niet op bij de traditionele vleugelprofielen die als vliegtuigvleugels worden gebruikt, waarvan het drukpunt op zijn plaats blijft over de hoeken die tijdens de vlucht optreden", zegt Ristroph. "Het verschuiven van het drukpunt lijkt dus een unieke eigenschap van dunne, platte vleugels, en dit blijkt uiteindelijk het geheim te zijn van de stabiele vlucht van papieren vliegtuigjes."
"Dit is de reden waarom vliegtuigen een aparte staartvleugel nodig hebben als stabilisator, terwijl een papieren vliegtuig weg kan komen met alleen een hoofdvleugel die zowel lift als stabiliteit geeft", zegt hij. "We hopen dat onze bevindingen nuttig zullen zijn in kleinschalige vluchttoepassingen, waar je misschien een minimaal ontwerp wilt dat niet veel extra vliegoppervlakken, sensoren en controllers vereist."
De National Science Foundation steunde het werk.
Bron: NYU
Het bericht Papieren vliegtuigjes pronken met nieuwe aerodynamische effecten verscheen eerst op Futurity.
