鳥類の一次羽の受動的な空力弾性偏向

Passive aeroelastic deflection of avian primary feathers.

• Brett Klaassen van Oorschot
• Richard Choroszucha
• Bret Tobalske

抄録

鳥の羽は、空気と相互作用して空気力学的な力を生み出すために受動的にたわむ複雑な構造をしています。ニュートン理論では、この力を効果的に利用するためには羽毛が硬くなければならないことを示唆しています。飛翔する鳥の観察では、羽はスパン方向の曲げ、ねじれ、および掃引を介して空気力学的負荷に応答することが示されています。これらのたわみは飛行性能を最適化するために仮説が立てられていますが、これはまだ検証されていません。我々は、エミュレートされた滑空飛行において、柔軟性が空力力にどのように変化するかを調べるために、風洞内で孤立した羽のたわみを測定した。7 羽の猛禽類から採取した一次羽と剛体の翼を用いて、曲げ、スイープ、ねじれ、∝（アタック角）、スリップ角を定量化しました。その結果、1)空気力学的負荷を受けると羽毛はたわみ、2)曲げは力の横方向への方向転換をもたらし、3)ねじれはスパン方向の∝ウォッシュアウトを変化させ失速を遅らせる、4)羽毛の曲げ剛性は正のアロメトリーを示す、と予測しました。最初の3つの予測は我々の結果で支持されましたが、4つ目の予測は支持されませんでした。私たちは、曲げによって、総揚力の 10%程度のオーダーで羽の基部に向かって横方向の力が発生することを発見しました。∝=13.5°で失速した翼と比較して、すべての羽は、我々の測定範囲の限界（α=27.5°）まで、攻撃角の増加に伴って揚力生産量を増加させ続けました。これは、剛性が幾何学的類似性（∝質量）によって予測されるようにスケールしないことを示す先行研究とほぼ一致しています。これらの知見は、羽毛の柔軟性が受動的なロール安定性を提供し、羽毛先端の局所的な∝を減少させるためにねじれによって失速を遅らせる可能性があることを示している。本研究で得られた知見は、空力負荷下での羽のたわみによる力を測定した初めてのものであり、鳥類の飛行モデルやバイオミメティックモーフィングウィング技術の将来のモデルに情報を提供することができます。

Bird feathers are complex structures that passively deflect as they interact with air to produce aerodynamic force. Newtonian theory suggests that feathers should be stiff to effectively utilize this force. Observations of flying birds indicate that feathers respond to aerodynamic loading via spanwise bending, twisting, and sweeping. These deflections are hypothesized to optimize flight performance, but this has not yet been tested. We measured deflection of isolated feathers in a wind tunnel to explore how flexibility altered aerodynamic forces in emulated gliding flight. Using primary feathers from seven raptors and a rigid airfoil, we quantified bending, sweep, and twisting, as well as ∝ (attack angle) and slip angle. We predicted that 1) feathers would deflect under aerodynamic load, 2) bending would result in lateral redirection of force, 3) twisting would alter spanwise ∝ "washout" and delay the onset of stall, and 4) flexural stiffness of feathers would exhibit positive allometry. The first three predictions were supported by our results, but not the fourth. We found that bending resulted in the generation of lateral forces towards the base of the feather on the order of ~10% of total lift. In comparison to the airfoil which stalled at ∝=13.5°, all feathers continued to increase lift production with increasing angle of attack to the limit of our range of measurements (α=27.5°). We observed that feather stiffness exhibited positive allometry (∝ mass), approximately consistent with previous research showing that stiffness does not scale as predicted by geometric similarity (∝ mass). These findings demonstrate that feather flexibility may provide passive roll stability and delay stall by twisting to reduce local ∝ at the feather tip. Our findings are the first to measure forces due to feather deflection under aerodynamic loading and can inform future models of avian flight as well as biomimetic morphing-wing technology.

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