日本新幹線集電弓的造型設計的靈感來自貓頭鷹的羽毛~能減少高速行駛中產生的噪音
羽毛也是貓頭鷹靜音飛行的重要因素。貓頭鷹翅膀初級飛羽外緣的梳齒結構可以起到渦流發生器的作用,將流過翅膀表面的大空氣渦流「過濾」成細碎的小渦流,抑制紊流邊界層噪聲的產生;氣流經過翅膀後緣時會發生渦旋脫落分離,初級飛羽後緣的穗狀須邊可以使脫離過程變得離散,抑制渦流脫離引起的氣動噪聲;覆蓋在貓頭鷹體表的大量鬆軟絨毛具有吸聲降噪功能,能夠吸收氣流與貓頭鷹身體作用時發出的聲音,減少聲音反射。貓頭鷹體表羽毛的多級分叉結構(包括絨毛末級分叉「竹節」結構)也在氣動噪聲能量耗散方面也發揮著重要作用
貓頭鷹的靜音飛行與其飛行噪音的特性有關。貓頭鷹可以將絕大部分飛行噪聲能量控制在1600Hz以下的低頻範圍。而其獵物(田鼠等)的聽覺只對頻率在2000Hz以上的聲音敏感,獵物聽不到貓頭鷹的飛行
貓頭鷹已經掌握了安靜飛行的技巧,因此能在在毫無戒心的獵物頭上滑翔。現在,科學家們認為我們可以向貓頭鷹學習,讓我們的風力渦輪機和飛機安靜下來,而這一切都與貓頭鷹翅膀前部的鋸齒狀邊緣有關
科學家已經通過計算機模型和風洞實驗證明了,這些鋸齒可以幫助我們降低空氣穿過金屬時所產生的噪音。
來自日本千葉大學的研究小組發現,貓頭鷹翅膀前緣的鋸齒能控制湍流和流線型氣流之間的轉換,同樣的原理也可以應用在我們自己的機器上。
這項研究的帶頭人Hao Liu表示:「貓頭鷹因為擁有獨特的翅膀,可以無聲飛行而聞名於世,這些特徵通常包括了前緣鋸齒、後緣條紋,以及天鵝絨般的表面。」
「我們想了解這些特性如何影響空氣動力的產生和噪音的降低,以及它們是否可以應用於其它地方。」
研究人員將受到貓頭鷹翅膀啟發的翼形模型組合在一起,並在缺少前緣鋸齒的情況下對其進行測試。先前的研究已經突出表明了貓頭鷹翅膀的梳狀鋸齒,但研究人員始終不太了解它們的作用。
於是研究人員在一個大型的渦流模擬和低速風洞實驗中,用粒子圖像測速技術(PIV)測試了這些翼形模型。這種渦流模型是科學家用來研究氣流的標準數學模型。
事實證明,翅膀的前緣鋸齒可以被動地控制在0到20度的攻擊角度(AoA)之間,控制層流(穩定的)氣流和在機翼上表面的湍流氣流之間的過渡轉換。該攻擊角度指的是機翼的角度和氣流方向之間的關係。
換句話說,這些鋸齒對於控制空氣動力和聲音的產生是至關重要的:它們打散了撞擊在機翼上的急速氣流中的高頻漩渦,將其變成了更小、更安靜的漩渦。
科學家研究發現,力量生產和噪音抑制之間存在著一種平衡。在AoA不到15度的地方,與乾淨的鉛邊緣相比,鋸齒形的前緣降低了空氣動力學性能。
一旦這個角度超過15度——就像貓頭鷹在飛行中一樣,空氣動力性能和降噪就都會得到改善。
要把這些發現都成功地在渦輪機、飛機以及任何天上飛的東西身上付諸實踐,我們還有很長一段路要走。但是現在的研究都能為後人所借鑑。
Liu說道:「如果是應用於風力渦輪機葉片、飛機機翼或無人機旋翼,這些從貓頭鷹獲得靈感的前沿鋸齒,可以為流量控制和降噪提供有用的仿生設計。」
「比如說,當噪音問題是建造風力渦輪機的主要障礙之一時,提供一種能夠減少噪音的方法是最受歡迎的。」
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日本新幹線集電弓的造型設計的靈感來自貓頭鷹的羽毛~能減少高速行駛中產生的噪音
羽毛也是貓頭鷹靜音飛行的重要因素。貓頭鷹翅膀初級飛羽外緣的梳齒結構可以起到渦流發生器的作用,將流過翅膀表面的大空氣渦流「過濾」成細碎的小渦流,抑制紊流邊界層噪聲的產生;氣流經過翅膀後緣時會發生渦旋脫落分離,初級飛羽後緣的穗狀須邊可以使脫離過程變得離散,抑制渦流脫離引起的氣動噪聲;覆蓋在貓頭鷹體表的大量鬆軟絨毛具有吸聲降噪功能,能夠吸收氣流與貓頭鷹身體作用時發出的聲音,減少聲音反射。貓頭鷹體表羽毛的多級分叉結構(包括絨毛末級分叉「竹節」結構)也在氣動噪聲能量耗散方面也發揮著重要作用
貓頭鷹的靜音飛行與其飛行噪音的特性有關。貓頭鷹可以將絕大部分飛行噪聲能量控制在1600Hz以下的低頻範圍。而其獵物(田鼠等)的聽覺只對頻率在2000Hz以上的聲音敏感,獵物聽不到貓頭鷹的飛行
貓頭鷹已經掌握了安靜飛行的技巧,因此能在在毫無戒心的獵物頭上滑翔。現在,科學家們認為我們可以向貓頭鷹學習,讓我們的風力渦輪機和飛機安靜下來,而這一切都與貓頭鷹翅膀前部的鋸齒狀邊緣有關
科學家已經通過計算機模型和風洞實驗證明了,這些鋸齒可以幫助我們降低空氣穿過金屬時所產生的噪音。
來自日本千葉大學的研究小組發現,貓頭鷹翅膀前緣的鋸齒能控制湍流和流線型氣流之間的轉換,同樣的原理也可以應用在我們自己的機器上。
這項研究的帶頭人Hao Liu表示:「貓頭鷹因為擁有獨特的翅膀,可以無聲飛行而聞名於世,這些特徵通常包括了前緣鋸齒、後緣條紋,以及天鵝絨般的表面。」
「我們想了解這些特性如何影響空氣動力的產生和噪音的降低,以及它們是否可以應用於其它地方。」
研究人員將受到貓頭鷹翅膀啟發的翼形模型組合在一起,並在缺少前緣鋸齒的情況下對其進行測試。先前的研究已經突出表明了貓頭鷹翅膀的梳狀鋸齒,但研究人員始終不太了解它們的作用。
於是研究人員在一個大型的渦流模擬和低速風洞實驗中,用粒子圖像測速技術(PIV)測試了這些翼形模型。這種渦流模型是科學家用來研究氣流的標準數學模型。
事實證明,翅膀的前緣鋸齒可以被動地控制在0到20度的攻擊角度(AoA)之間,控制層流(穩定的)氣流和在機翼上表面的湍流氣流之間的過渡轉換。該攻擊角度指的是機翼的角度和氣流方向之間的關係。
換句話說,這些鋸齒對於控制空氣動力和聲音的產生是至關重要的:它們打散了撞擊在機翼上的急速氣流中的高頻漩渦,將其變成了更小、更安靜的漩渦。
科學家研究發現,力量生產和噪音抑制之間存在著一種平衡。在AoA不到15度的地方,與乾淨的鉛邊緣相比,鋸齒形的前緣降低了空氣動力學性能。
一旦這個角度超過15度——就像貓頭鷹在飛行中一樣,空氣動力性能和降噪就都會得到改善。
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Liu說道:「如果是應用於風力渦輪機葉片、飛機機翼或無人機旋翼,這些從貓頭鷹獲得靈感的前沿鋸齒,可以為流量控制和降噪提供有用的仿生設計。」
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💥《奈米科技中的力學》激發經典學科新火花💥
物質在奈米尺度下會呈現出與一般狀態截然不同的特性,我們若從原子或分子的層次來設計、建造具備分子組織的結構體,便能製造出功能新穎的元件或器具,來解決目前所遇到的瓶頸和問題。這樣的技術我們稱為奈米科技,它是近二十年來興起且熱門的領域,極有可能推動下一波工業革命。
力學則是一門歷史悠久的學科,很多日常生活中可觀察到的現象、產品都離不開它,大學工學院中也有很多系所是以力學作為核心課程。然而,綜觀目前國內奈米科技的相關書籍約有二十餘本,卻無從力學角度出發者,這對土木、機械、航空、造船工程等以力學為核心知識的學生或讀者來說,在進入奈米科技時總是缺少一塊墊腳石。
為協助跨領域的奈米科技人才,本書由力學觀點出發,連結「力學」與「奈米科技」,使具有力學基礎的讀者能漸進地進入奈米科技領域。《奈米科技中的力學》共有七章,第一章闡述了奈米科技、力學及二者間的關係;第二章以介電泳及光鑷為題,透過如何利用此兩項工具對奈米物體施力及力矩與動力學連結;第三章以原子力顯微鏡為題,透過懸臂梁與材料力學連結;第四章以奈米流體為題,透過其數學模式與流體力學連結;第五章以軟物質的力學與材料特性為題,統整奈米物體會遭遇到的各種力;第六章以利用分子模擬探索奈米結構為題,與量子力學連結;第七章討論超常材料,以拓展讀者視野。
本書編者李雨為臺大應用力學研究所教授。曾獲頒1987、2008、2011及2017年度臺灣大學優良教師獎。歷年研究領域有地幔對流、旋轉流、紊流、二相懸浮流、微流技術、廣義介電泳、細胞物理、奈米流體及甲殼素的凝血機制等。
歡迎至出版中心在校內的三個書店參觀選購:(1)校總區書店(圖書館左側地下一樓,電話:02-23659286)營業時間為:星期一至星期五8:30~17:00;(2)水源校區書店(澄思樓一樓,電話:02-33663993#18)營業時間為:星期一至星期五 8:30~12:00 , 13:00~17:00;(3)校史館書店(電話:02-33661523)營業時間 : 星期三~星期一9:00~17:00;星期二9:00~15:00,每月最後一個星期二及國定假日公休。亦歡迎讀者透過博客來、三民、五南、國家書店、誠品、臺灣商務、iRead、TAAZE等網路書店選購。出版中心客服專線:02-23659286;網址:www.press.ntu.edu.tw。
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