Chim đã truyền cảm hứng cho con người bay trong nhiều thế kỷ, nhưng Shabnam Raayai cho rằng chúng cũng có thể mang lại bài học về việc giảm tiêu thụ năng lượng.
Là thành viên tại Viện Rowland ở Harvard, Raayai làm việc để rút ra vật lý với những ứng dụng thực tế từ các hiện tượng tự nhiên, cho dù là chim bay hay vảy cá mập. Lấy tín hiệu từ đội hình bay hình chữ V của các loài chim di cư, nhóm của Raayai đã tiết lộ những hiểu biết mới về cách chuyến bay của các phương tiện bay không người lái, chẳng hạn như máy bay không người lái, có thể được thiết kế để cho phép các nguồn năng lượng có tuổi thọ dài hơn.
Các kết quả cũng sẽ được áp dụng cho tất cả các loại chuyển động tập thể thông qua môi trường, từ các phương tiện di chuyển dưới nước cho đến cách sắp xếp các thảm thực vật để kiểm soát lũ lụt. Bài báo nghiên cứu có tựa đề “Tác động của hình chữ V lấy cảm hứng từ sinh học đối với dòng chảy qua sự sắp xếp của các vật thể không nâng” được công bố trên tạp chí Vật lý Chất lỏng .
Các nhà nghiên cứu cho biết, nghiên cứu về tối ưu hóa chuyến bay theo nhóm không phải là mới, nhưng hầu hết các thí nghiệm như vậy đều tập trung vào máy bay có cánh cố định, trong đó lực nâng cơ học được tạo ra bởi hình dạng của cánh. Người ta biết ít hơn về các bộ phận "không nâng" của phương tiện giao thông, chẳng hạn như thân của những chiếc máy bay có cánh quạt nhỏ, ngày càng trở nên quan trọng trong môi trường công nghiệp và quân sự. “Điều gì sẽ xảy ra nếu thiết bị hoặc phương tiện của chúng ta không có cánh cố định?” Raayai nói. "Vật lý dòng chảy thay đổi như thế nào?"
Việc trả lời những câu hỏi đó đòi hỏi phải có một thiết lập thử nghiệm sáng tạo có tính đến cả độ chính xác của phép đo và hiệu quả chi phí. Sử dụng một đường hầm nước và các ống trụ để mô phỏng các phương tiện đang bay, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật gọi là đo vận tốc hình ảnh hạt để đo trường dòng chảy xung quanh mỗi vật thể. Một tia laser duy nhất và bốn tấm ánh sáng giao nhau đã tạo ra một không gian được chiếu sáng đầy đủ, trong đó các nhà nghiên cứu sử dụng hình ảnh tốc độ cao để ghi lại cách sắp xếp khác nhau ảnh hưởng đến lực cản của từng vật thể. Vì nước và không khí đều là chất lỏng Newton nên các phép tính đơn giản cho phép ngoại suy cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Trong số những quan sát của họ: Trong một cấu hình, họ nhận thấy mức giảm lực cản 45% đối với các thành viên ở hàng thứ hai phía sau người dẫn đầu và một số lợi ích giảm lực cản bổ sung cho người dẫn đầu. Theo dữ liệu, những lợi ích đó giảm dần khi góc của chữ V ngày càng rộng hơn.
Raayai nhấn mạnh rằng các phép đo là một bộ nguyên tắc cơ bản mà từ đó các nhà nghiên cứu hoặc các ngành khác nhau có thể áp dụng các thông số của riêng họ để tối ưu hóa. Cô nói: “Tối ưu hóa có nhiều con đường, tùy thuộc vào những gì bạn muốn làm”. "Bạn có muốn tất cả bảy thành viên của mình sử dụng cùng một lượng pin từ điểm A đến điểm B không? Nếu đúng như vậy, bạn sẽ phải tìm cách chuyển đổi vị trí của các thành viên trong suốt chuyến bay của mình."
Cuối cùng, Raayai muốn giúp tạo ra con đường hướng tới quá trình khử cacbon bằng cách đưa ra những cách thức mới để giảm mức tiêu thụ năng lượng và hướng tới điện khí hóa. Và thiên nhiên có cách thúc đẩy cô ấy.
Cô nói: “Rất nhiều loài động vật chọn cách di chuyển theo nhóm và điều đó có lợi cho chúng - những loài đi bộ, những loài bơi hoặc bay”.
