貓頭鷹無聲飛行的秘密 日本科學家找到運作原理

貓頭鷹無聲飛行的秘密 日本科學家找到運作原理

(首圖來源:pixabay)

【文‧黃嬿】

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要在夜間尋找貓頭鷹芳蹤,是很高難度的挑戰,原因是暗夜中視線已經很差,貓頭鷹飛行時又完全沒有聲音,幸運的話聽到牠的鳴叫,可能纔會驚覺就在身邊。貓頭鷹無聲飛行能力一直令科學家着迷,即使瞭解關鍵結構,但並不清楚運作原理,最近日本科學家有新發現,讓未來飛行汽車、風力發電機靜音技術更加可行。

飛機會發出極大的噪音,噴射引擎在起飛期間可產生高達 140 分貝的噪音水平,遠高於 85 分貝人類可以承受的水平,超音速飛機更大聲,因此超音速飛機一直被禁止在陸地上空飛行,也影響民用超音速運輸。NASA 一直在透過 X-59 計劃研究靜音超音速技術,尋找降低此類飛機噪音的方法。

科學家一直以來都對貓頭鷹的飛行構造很感興趣,先前科學家認爲是翅膀羽毛上的微條紋發揮作用,這個結構稱爲後緣 (TE),就是在一根羽毛最下方一排像流蘇般的結構,然而它們運作的確切機制仍有待發現。

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這次日本科學家找到貓頭鷹翅膀上的微結構,如何抑制機翼引起的空氣運動產生的噪音。日本千葉大學研究小組建立兩個真實貓頭鷹翅膀的 3D 模型,其中一款有後端邊緣,另一款沒有。接着將這兩個模型以貓頭鷹滑翔飛行速度來進行流體流動模擬。結果顯示,羽毛的後端邊緣降低貓頭鷹翅膀的噪音水平,特別是在高迎角時,同時能夠保持與沒有後端邊緣的翅膀一樣好的空氣動力性能。

該團隊確定後端邊緣影響氣流的兩種互補機制。首先,後端邊緣會破壞後緣渦流來減少氣流的波動。其次,它們減少翼尖羽毛之間的流動相互作用,抑制翼尖渦流的放射。

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翼尖渦流是指當機翼產生正升力時,下翼面的壓強比上翼面高,在上、下翼面壓強差的作用下,下翼面的氣流就繞過翼尖流向上翼面,這樣就使下翼面的流線由機翼的翼根向翼尖傾斜,而上翼面的流線則由翼尖偏向翼根。 由於上、下翼面氣流在後緣處具有不同的流向,於是就形成漩渦,並在翼尖捲成翼尖渦,翼尖渦向後流即形成翼尖渦流。

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研究團隊表示,這兩個機制協同增強後端邊緣的效果,產生強大的空氣動力並降噪,一旦確切瞭解了後端邊緣的工作原理後,科學家就可以利用仿生學來開發低噪音流體機械,應用在無人機、風力發電機,甚至飛行汽車等方面。該研究結果發表在《生物靈感與仿生學》期刊。

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