مختصری از حشرات

حشرات ازجمله اولین بالزن هایی بوده اند که در طول تاریخ توانستند کارایی آیرودینامیکی و قابلیت مانور خود را حفظ کنند. درمیان حشرات، ما حیواناتی را می بینیم که از سمت عقب بدن خود take off می کنند یا بصورت واژگون شروع به نشستن کرده و یا از پهلو پرواز می کنند درحالی که چنین شاهکارهای پروازی، به خصوصیات آناتومی و فیزیولوژی ویژه ای نیازمند است که تاکنون کمتر شناخته شده اند.شاید یکی ازبزرگترین این معماها، این است که چگونه بال های حشرات می توانند نیروی کافی برای پرواز و مانورهای مختلف را فراهم کنند. تئوری آیرودینامیک مرسوم که براساس بال های ثابت و صلب بوجود آمده، قادر به توضیح چگونگی تولید این نیروها نیست. ناتوانی این تئوری ها که به آیرودینامیک حالت پایدار مربوط می شوند باعث شده است تا دانشمندان به دنبال مکانیسم های ناپایدار آیرودینامیکی بگردند که بتواند مقدار بالای نیروی تولیدی در حشرات را توضیح دهد.

رینولدزهای پروازی حشرات به خاطر تغییر جثه در بازه ی تقریبی 10 تا100000 می باشد ،هرچه جثه ی حشره بزرگتر باشد رینولدز پروازی آن نیز بزرگتر می باشد وبرعکس. برای مقایسه عدد رینولدز پروازی حشرات می توان به این امر اشاره کرد که عدد رینولدز یک شناگر 1000000 و یک هواپیمای جت در ماخ 8/0 ،10000000 است .

در نمودار شکل زیر، مقدار وزن ، بار وارد بر واحد مساحت بال(W/S) و سرعت پروازی هواپیماها ، پرنده ها و حشرات  با هم مقایسه گردیده اند .نکته ای که از این نمودار قابل استنتاج است این است که حشرات نسبت به سایر موجودات پرنده از سرعت پروازی و بار وارد بر سطح بال کمتری برخوردارند. 

 

چالش های آزمایشگاهی در تحلیل آیرودینامیک حشرات

بدلیل اندازه ی کوچک بال حشرات و همچنین فرکانس بالای بالزنی آنها، تفکیک و اندازه گیری حرکت بال های حشرات که در فضای آزاد در حال پرواز هستند ، بسیار مشکل می باشد برای مثال یک حشره ی اندازه متوسط همچون حشره ی میوه با نام Drosophila melanogaster ، بصورت تقریبی ، طولی در حد 2تا3 میلیمتر و فرکانس بالزنی در حد 200 هرتز دارد.

حشرات به باز خورد تصویری پیرامون خود بسیار وابسته اند در نتیجه شرایط نوری محیطی که در آن به تصویربرداری از پرواز حشره می پردازیم را نیز باید در نظر داشته باشیم.

چالش آورتر از تصویربرداری سه بعدی از پرواز یک حشره، اندازه گیری مدت زمان اعمال نیروهای آیرودینامیکی ، در طول بالزدن آن حشره است . نیروهای وارد بر بدن حشره به نسبت از نیروهای وارد بر بال آن بهتر قابل اندازه گیری است و جداسازی نیروهای اینرسی از نیروهای آیرودینامیکی تولید شده توسط بال ها، بسیار مشکل تر می باشد.

همچنین بستن مدل حشره در تونل باد به یک پایه(ثابت یا متحرک) می تواند درمقدار و نوع نیروهای تولیدی تأثیر گذار باشد.

 

محققان برای غلبه بر مشکلات عملی و آزمایشگاهی بالا، از دو روش و استراتژی بهره گرفتند در اولین روش، مدل حشرات را به صورت یک مدل دینامیکی Scale شده با ابعاد بزرگتر ساخته اند که به این ترتیب می توانند به آسانی و مستقیماً نیروهای آیرودینامیکی را اندازه گرفته و الگو های جریانی پیرامونشان را نشان دهد.

در دومین روش نیز از شبیه سازی بالزدن حشره با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) بهره می گیرند. هر چند قدرت این روش ها نیز به دقت دانش ما از حرکت بال ها بستگی دارد.

یکی از جدیدترین روش های آزمایشگاهی که امروزه برای بررسی جریان حول اجسام به خصوص حشرات استفاده می شود روش DPIV یا Digital Particle Image Velocimetry  می باشد که شماتیک ساده ای از این روش در شکل زیر آمده است :

 

در این روش(که معمولا سیال عبوری در آن مایع است) ذرات بسیار ریز از یک ماده جامد که بتواند نور لیزر را بازتاب دهد، در ورودی مقطع آزمایش، به سیال تزریق می شود.  ابعاد این ذرات بسته به کاربرد و سیال عبوری حتی می تواند تا میکرومتر هم برسد. یک منبع تولید لیزر هم با تاباندن اشعه لیزر به چند عدسی و بازتاب از یک آینه، صفحه ای از پرتوهای لیزر را در مکان مورد نظرایجاد میکند.حداقل یک دوربین با سرعت بسیار بالا  نور بازتابانده شده از ذرات عبوری را بوسیله ی یک آینه که در داخل سیال قرار دارد ثبت می نماید. تصاویر ثبت شده با کنار هم گذاشتن یکدیگر، الگویی از جریان رابه ما میدهند.

ادامه دارد...