بينشي نوين در پرواز به وسيله شبيه‌سازي
مشاهده‌ی شماره ۹۰
در آغاز پرواز، پروانه با آسماني پر از هياهو، و آشفته‌تر از آنچه که تصور مي‌کرد روبه‌رو مي‌شود. با نگاه به پرواز پروانهها ميتوان قابليت مانور وسايل نقليه ميکرو-هوايي را ارتقا داد.
بال و پر زدن پروانه، الهام‌بخش شاعران، خوانندگان و حتي ورزشکاران بوکسور بوده است. اکنون اين حرکت پروانهها الهام‌بخش پژوهش‌گراني شده که در صدد فهم اين نکته هستند که حشرات چگونه از مکاني به مکان ديگر پرواز می‌کنند.
ناوتو يوکوياما (Naoto Yokoyama)، استاديار هوانوردي و فضانوردي دانشگاه کيوتوي (Kyoto University) ژاپن مي‌گويد: «با توجه به اصطلاح «جاري شو همانند پروانه»، ميتوان دريافت که پروانهها به شکل ظريفي در محیط پرواز مي‌کنند». او در جاي ديگري مي‌گويد: «ما مشتاق فهميدن اين نکته هستيم که پروانهها از نظر علم ديناميک سيالات چگونه پرواز مي‌کنند».
يوکوياما و همکارانش تعداد زيادي از حرکت رو به جلوي پروانهها را شبيه‌سازي کرده‌اند. آنها نژادي از پروانه به نام «ببري شاه بلوطي (chestnut tiger)» را مدل تحقيقاتي خود قرار داده و بدن آن را به ۴ قسمت تقسيم کردند: قفسه سينه کروي شکلي (همانند توپ فوتبال) که بين سر و شکم قرار دارد، قسمت شکم، قسمت‌هاي نازک چپ و راست و در نهايت بال‌هاي مسطح.
محققان ۳ نوع شبيه‌سازي مختلف از اين پروانه‌هاي رياضي‌وار را به اجرا در آوردند و پس از تحقيقات مکرر به اين نتيجه رسيدند که حشرات به منظور اوج گرفتن، از فشار گرداب‌هاي هوايي که در طول بال و پر زدن ايجاد مي‌شود، استفاده مي‌کنند. محققان متوجه شدند که پرواز پروانه مملو از جنب و جوش‌هايي است که در هنگام حرکت در هوا انجام مي‌دهد، به‌طوري که با اين حرکت‌ها و بالا و پايين رفتن‌هاي سريع، خود را به سمت جلو هدايت مي‌کند.
شگفتي‌هاي عجيبي در جريان ملايم هوايي که در اطراف پروانه وجود دارد به چشم مي‌خورد. در اين زمينه يوکوياما مي گويد: «جريان هواي موجود در اطراف پروانه بيش از تصور انسان داراي تلاطم است».
محققان بر اين گمانند که گردبادها و تلاطم‌هاي هوايي، نه تنها به بيشتر اوج گرفتن پروانهها کمک مي‌کند، بلکه آنها را از تيررس شکارچيان نيز دور نگه مي‌دارد، بدين صورت که حرکت‌هاي سريع پروانه در هوا مانع از شکار راحت اين حشره است. اين تحقيقات در اوايل همين سال ميلادي در مجله فيزيک سيالات منتشر شد.
تاي هندريک (Ty Hendrick) ، يک زیست‌شناس از دانشگاه کارولينای شمالی در چپِل‌هیل (University of North Carolina in Chapel Hill)، مي‌گويد که تحقيقات کاملا با آنچه در جهان واقعيت وجود دارد مطابقت مي‌کند. «تحرک پروانهها از ديگر حشرات به مراتب بيشتر است و شواهد ديگري نشان مي‌دهد که پرواز بي‌نظم و قاعده‌ی پروانهها مکانيسمي است براي مقابله با شکارچيان»، او در ادامه مي‌گويد «پروانه‌هاي سمي يا بدمزه نسبت به ديگر گونه‌‌ها پروازهاي آرامتري داشته و مسافت‌هاي کوتاه‌تري را پرواز مي‌کنند».
هندريک مي‌گويد که تحقيقات جديد نتيجه خوبي در جهت ترکيب ديناميک سيالات محاسباتي با مکانيسم مکانيک نيوتني قرن ۱۷ براي پرندگان دارد. او اضافه مي‌کند که: «جزء اصلي که در شبيه‌سازي پروانه وجود ندارد، تغيير شکل بال‌هاي پروانه است. اين مورد به‌عنوان بهبود بهره‌‌وري پرواز شناخته شده و احتمالا به ثبات حرکت رو به جلوي پروانه کمک کرده است».
دوربين‌ها به کشف رمز و راز پرواز کمک مي‌کنند
شبيه‌سازي‌ها بسيار مفيد هستند، اما تنها با مشاهده مستقيم ميتوان به درک و فهم پرواز حشرات رسيد. تيراس لين (Tiras Lin)، يک پژوهش‌گر دوره‌ی کارشناسی از دانشگاه جانز هاپکينز (Johns Hopkins University)، بر روي پروژه‌ای همانند پروژه يوکوياما و در جهت بهتر مهار کردن قدرت لرزش‌هاي پرواز کار مي‌کند.
لين مي‌گويد که راز و رمز پرواز حشرات ،اين که چگونه يک پروانه‌ی مونارک مي‌تواند در مسافتي کوتاه‌تر از طول بدنش به اندازه ۹۰ درجه بچرخد و يا اينکه يک مگس ميوه چگونه مي‌تواند به‌راحتي با سرعت بالا در يک اتاق فاصله بين سقف و کف زمين را چندين هزار بار طي کند، پژوهش‌گران را به مدت چندين دهه سردرگم کرده است.
برای مشاهده‌ی فیلم روی عکس کلیک کنید
لين با استفاده از يک ويدوئوي سرعت بالا به‌همراه کالبدشکافي، به کند و کاو حرکت بال‌هاي سبک وزن پروانه پرداخت. بر اساس کالبدشکافي، کارشناسان توده‌هايي از قسمت‌هاي مختلف بدن حشرات را شناسايي کردند که شامل سر، بدن و بال‌ها است.
محققان جهت آزمايش، پروانه‌هاي ملکه را در آکواريومي که به‌وسيله لامپ‌هاي گوناگون روشن شده نگهداري مي‌کنند. سه دوربينِ سرعت-بالا و مجهز به لنزهايي با نزديک‌نمايي بالا از مانور پروانهها فيلم‌برداري کرده است. اين محققان حدود ۳۰۰۰ فريم در هر ثانيه ثبت کرده‌اند، چرا که پروانه در هر ثانيه ۲۰ بار بال مي‌زند.
لين مي‌گويد: «اين اطلاعات به ما اين اجازه را مي‌دهد تا بتوانيم به‌صورت رياضي‌وار حرکت‌هاي بال‌ها و بدن پروانه‌هاي را مستند کنيم». او در ادامه مي‌گويد که اين طور به نظر مي‌رسد که بال‌ها نقش مهمي را در فيزيک بال زدن ايفا مي‌کنند.
«ورزشکاران، از جمله اسکيت‌بازان روي يخ و يا غواصان دست و پاهاي خود را به‌منظور توزيع يکنواخت جرم خود در اطرافشان به حرکت در مي‌آورند. اين حرکت‌ها بر روي مانور و حرکت آنها، به‌خصوص چرخش بدنشان، تأثير مي‌گذارد». لين مي‌گويد «بر اساس تحقيقاتي که انجام داديم، بر اين باوريم که اين امکان وجود دارد که يک حشره توانايي انجام چنين کارهايي را با استفاده از بدن و بال‌هايش داشته باشد».
لين و ديگر محققان در جستجوي اين نظريه هستند که پرواز پروانه مي‌تواند در طراحي نسل بعدي وسايل نقليه ميکرو، جهت انجام ماموريت‌هاي شناسايي و يا نظارت بر اطراف، کمک به‌سزايي کند.
لين در پايان مي‌گويد: «يکي از زمينه‌هايي که در حال حاضر وسايل نقليه ميکرو در آن دچار خلع شده، خاصيت مانور است، و به‌خاطر اندازه کوچک طراحي‌هاي مدرن، چيزهاي زيادي ميتوان از پرواز پوياي حشراتي از جمله پروانه آموخت».
