19/01/2024
Door Ad Spijkers
Door gebruik te maken van een andere stuwkracht zijn kleinere en flexibelere onbemande schepen te bouwen.
Schrijvertjes (een keversoort, Gyrinidae) zijn 's werelds snelst zwemmende insecten. Ze bereiken verrassende snelheden door gebruik te maken van een strategie die wordt gedeeld door snel zwemmende zeezoogdieren en watervogels. Dit blijkt uit een analyse met hogesnelheidscamera's, uitgevoerd aan Cornell University in Ithaca (bij New York City), die eerdere verklaringen van de betrokken fysica herschrijft.
Zwemmende kevers
De ongeveer een centimeter lange kevers kunnen een versnelling van 100 m/s2 bereiken en een topsnelheid van 100 lichaamslengtes per seconde (ofwel 1 ,/s). De resultaten verklaren niet alleen de Olympische snelheden van de diertjes, maar bieden ook waardevolle inzichten voor bio-geïnspireerde ontwerpers van waterrobots en onbemande schepen.
Tot nu toe dachten onderzoekers dat de schrijvertjes hun snelheden bereikten met behulp van een voortstuwingssysteem dat stuwkracht op basis van luchtweerstand wordt genoemd. Dit type stuwkracht vereist dat de poten van het insect sneller bewegen dan de zwemsnelheid, zodat de poten enige stuwkracht kunnen genereren.
Om zulke hoge zwemsnelheden te bereiken, zouden de poten van de draaikever met onrealistische snelheden tegen het water moeten duwen. Snel zwemmende zeezoogdieren en watervogels hebben de neiging om weerstandsstuwkracht te verkiezen boven liftstuwkracht, een ander voortstuwingssysteem.
Onderzoek
Met behulp van twee hogesnelheidscamera's, gesynchroniseerd onder verschillende hoeken, konden de onderzoekers een draaikolk filmen en een op lift gebaseerd stuwmechanisme observeren. Deze stuwkracht werkt als een propeller, waarbij de stuwende beweging loodrecht op het wateroppervlak staat. Hierdoor wordt weerstand geëlimineerd en ontstaat een efficiënter momentum dat een grotere snelheid mogelijk maakt.
In de biologie is het moeilijk om dingen te laten draaien. Mensen en dieren zijn machines die zijn gebaseerd op samentrekking. Men zou de poten van het schrijvertje kunnen beschrijven als een gedeeltelijke propeller die rond een hoek draait en zich dan terugtrekt voordat ze opnieuw gedeeltelijk draaien.
Stuwkracht
De onderzoekers bepaalden de snelheden van de poten en het lichaam niet alleen uit de gesynchroniseerde camera-observaties. Ze gebruikten aerodynamische formules om te berekenen dat een op lift gebaseerde stuwkracht het grootste deel uitmaakt van de kracht die nodig is voor de snelle voortstuwing van de wervelkever. Het verschilt niet veel van een vliegtuigvleugel die een beetje is gekanteld. De invalshoek maakt het mogelijk om lift te genereren.
Op lift-gebaseerde stuwkracht is eerder geïdentificeerd in organismen met grote afmetingen, zoals walvissen, dolfijnen en zeeleeuwen. In dit onderzoekers hebben de wetenschappers de lengteschaal vergroot tot 1 cm. De schrijvers zijn verreweg het kleinste organisme dat op lift gebaseerde stuwkracht gebruikt om te zwemmen. De onderzoekers hopen dat hun werk de bio-geïnspireerde robotica en andere technische gemeenschappen aanspreekt om eerst de juiste fysica te identificeren en dan te proberen die fysica te behouden bij het creëren van robotica.
Onbemande schepen
De Amerikaanse marine heeft al boten zonder bemanning ontwikkeld. Het traditionele scheepsontwerp wordt beperkt door de noodzaak om boten geschikt te maken voor een bemanning. Door een bemanning te elimineren, kunnen boten veel kleiner en flexibeler zijn. De onderzoekers aan Cornell University denken dat de kleine afmetingen, de scheepsachtige vorm en het liftgenererende voortstuwingsmechanisme van de schrijvertjes goed van pas komen bij het ontwerpen van robotschepen.
Foto: Cornell University