Warum dieser Trägheitsregler der Libellenflügelneigung selbsterregte gekoppelte Schlag- und Federschwingungen reduziert und die Gleitfluggeschwindigkeit verbessert

Das Pterostigma von Insektenflügeln, ein Trägheitsregulator der Flügelsteigung, ist in dieser Antwort auf Warum haben Libellen diese speziellen kleinen Flecken auf ihren Flügeln? (frei zugängliche Kopie hier )

Die Zusammenfassung des Papiers enthält die folgenden Punkte. Einige habe ich fett hervorgehoben.

Frage: Kann man einfacher erklären, was "Trägheitsregler der Flügelneigung der Libelle reduziert selbsterregte gekoppelte Schlag- und Federschwingungen und verbessert die Gleitfluggeschwindigkeit" bedeutet und warum diese kleinen Gewichte das tun?

  1. Das Pterostigma von Insektenflügeln ist normalerweise ein pigmentierter Fleck nahe der Vorderkante weit außen auf dem Flügel, der eine größere Masse hat als ein gleich großes Flügelstück in angrenzenden Flügelregionen.

  2. Bei mehreren Libellenarten (Odonata) wurden die Position der Torsionsachse der Spannweite der Flügel, die Massenverteilung der Flügel und die Position des Masseschwerpunkts in Sehnenrichtung in Flügelstreifen in Sehnenrichtung bestimmt.

  3. Bei den untersuchten Libellen liegt die Torsionsachse des Flügels bis auf das Pterostigma vor dem Flügelsehnenschwerpunkt (Abb. 1).

  4. Ein Flügel, dessen Massenachse hinter seiner Torsionsachse liegt, ist sehr anfällig für selbsterregte gekoppelte Schlag- und Federschwingungen, die einen Gleitflug oberhalb einer kritischen Geschwindigkeit unmöglich machen. Aufgrund ungünstiger Trägheitsneigungen des Flügels wird dem aktiven Flug eine noch niedrigere Geschwindigkeitsgrenze gesetzt.

  5. Aufgrund seines Massenbeitrags und seiner günstigen Lage neigt das Pterostigma dazu, diese Geschwindigkeitsgrenzen anzuheben, indem es während der Beschleunigungsphasen des Flügelschlags günstige Trägheits-Nickmomente verursacht.

  6. Das günstige Nickmoment des Pterostigmas ist proportional zum Abstand von der Flügelbasis zum Pterostigma und zum Abstand des Pterostigmas vor der Torsionsachse des Flügels in Spannweitenrichtung. Das Pterostigma hat normalerweise eine optimale Position an der Vorderkante des Flügels in der Nähe der Flügelspitze, genau dort, wo sich der Flügel nach hinten krümmt. Eine weitere Optimierung der Pterostigma-Massenlokalisierung wurde bei verschiedenen Insekten auf unterschiedliche Weise erreicht, wobei sowohl die Pterostigma-Position (Abb. 4) als auch die Form (Abb. 5a) einbezogen wurden.

  7. An Libellen wurde die Funktion des Pterostigmas zur Erhöhung der kritischen Gleitgeschwindigkeit, bei der selbsterregte Schwingungen einsetzen, nachgewiesen. Obwohl es nur 0,1 % (ein Pterostigma) zum Gesamtgewicht der Libellen beitrug, erhöhte es die kritische Geschwindigkeit bei einer Art um 10–25 %.

  8. Das Pterostigma ist unter den Insektenordnungen Odonata, Neuroptera, Psocoptera, Hemiptera und Hymenoptera verbreitet. Durch passive Trägheitssteuerung des Nickwinkels macht das Pterostigma wahrscheinlich den Flügelschlag beim langsamen und schwebenden Flug kleiner Insekten effizienter, während seine Erhöhung der kritischen Fluggeschwindigkeit für größere Insekten wahrscheinlich von größerer Bedeutung ist. Die Fähigkeit zur aktiven Nickwinkelkontrolle bei vielen Insekten schmälert den Wert des Pterostigmas nicht, da es passiv, ohne Kraftaufwand, zu einem effizienten Flügelschlag beiträgt.

Abbildungen aus dem verlinkten Papier (klicken für volle Größe):

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Libelle aus dem Landkreis Hsinchu, Taiwan Libelle aus dem Landkreis Hsinchu, Taiwan

Libelle aus dem Landkreis Hsinchu, Taiwan Libelle aus dem Landkreis Hsinchu, Taiwan

Ich glaube nicht, dass dies für Av.SE relevant ist, obwohl dies der wahrscheinlichste Ort ist, um jemanden zu finden, der darauf antworten kann. Das Help Center gibt an (fett hinzugefügt): "Aerodynamik ( bezogen auf Flugzeuge )", daher denke ich, dass dies außerhalb des Geltungsbereichs liegt.
Ich bin mit den engen Stimmen nicht einverstanden, dies ist eine Frage der Aeroelastizität, die im Rahmen dieser Website beantwortet werden kann. Insbesondere scheint der Fragesteller eine Erklärung zu benötigen, warum ein Massenschwerpunkt, der vor dem elastischen Zentrum des Flügelabschnitts liegt, einen Flügel erzeugt, der bei hohen Geschwindigkeiten nicht anfällig für eine Torsionsdivergenz ist. Wenn Peter mir nicht zuvorkommt, werde ich heute Abend eine Antwort posten.
Ok, nicht heute Abend, ich muss die Textwand kürzen, in die sich der Entwurf verwandelt hat, um ihn zugänglich zu machen.
@AEheresupportsMonica danke, ich schätze die Hilfe! Übrigens ist es möglicherweise möglich, eine Teilantwort zu posten, die darauf hinweist, dass sie am nächsten Tag konkretisiert wird. Ich tue dies manchmal, wenn eine Frage in großer Gefahr ist, dass das Posten von Antworten blockiert wird, wenn dies wohl nicht der Fall sein sollte.
@uhoh Ich habe die einleitenden Absätze gepostet; Ich hoffe, dies hilft, die Schließung zu verhindern.

Antworten (1)

Kurze Antwort:

Das Hinzufügen einer Masse vor der elastischen Achse des Flügels neigt dazu, die kritische Flattergeschwindigkeit des Flügels zu erhöhen, wodurch ein größerer Flugbereich ermöglicht wird. Oberhalb dieser kritischen Geschwindigkeit würde der Flügel Schwingungen mit zunehmender Amplitude erfahren, die zu seiner Zerstörung führen könnten (oder zu einem Grenzzyklus-Flattermodus, der ebenfalls schlecht ist, aber weniger schlimm ist als eine schnelle ungeplante Demontage).

Flattern ist ein destruktives aeroelastisches Phänomen, das (vereinfacht) als Kombination zweier Eigenschwingungen eines Flügels beschrieben werden kann. Diese Moden sind Torsion um eine Achse in Spannweitenrichtung und Biegung in Bezug auf die Wurzel. Jeder Modus hat eine natürliche Frequenz, und die Flattergeschwindigkeit hat ein Minimum (übrigens nicht garantiert ein globales), wenn diese beiden Frequenzen gleich sind, weil sie sich dann gegenseitig verstärken.

Der Abstand zwischen dem Massenschwerpunkt und der elastischen Achse des Flügels ist sehr wichtig für das Torsionsverhalten des Flügels, einfach weil sich der Flügel um diese elastische Achse verdreht und ein weit entfernter Massenschwerpunkt hohe Trägheitsmomente ergibt .

Durch das Hinzufügen von Gewicht an der Vorderkante wird das dynamische Verhalten des Flügels so modifiziert, dass die kritische Flattergeschwindigkeit nach oben verschoben wird und der sichere Flugbereich erweitert wird. Diese Technik ist am häufigsten bei Hubschrauberblättern zu sehen, von denen viele ein gewisses Trimm- oder Ausgleichsgewicht an der Vorderkante haben .

Lange Antwort (Mathematik voraus):

WIP - Die analytische Behandlung ist ziemlich lang, also versuche ich zu entscheiden, welche Ergebnisse es wirklich wert sind, in MathJax eingegeben zu werden

Diese kurze Antwort ist schon nützlich
Ping mich an, wenn du denkst, dass du einen Haltepunkt erreicht hast. Ich bin sicher, Sie können einfach die Mathematik zitieren und die Ergebnisse oder die Grundidee angeben. Die Aussage „Flattern ist ein destruktives aeroelastisches Phänomen“ könnte mit einem Link untermauert werden, damit Interessierte weiterlesen können.
...aber in der Zwischenzeit klicke ich auf Akzeptieren :-)
Warum dieser Trägheitsregler der Libellenflügelneigung selbsterregte gekoppelte Schlag- und Federschwingungen reduziert und die Gleitfluggeschwindigkeit verbessert
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