Una recente ricerca di Andres J. Goza presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha trovato relazioni tra le frequenze e le dinamiche passive in gioco quando i veicoli si muovono in aria o in acqua verso una migliore comprensione di come utilizzare queste forze per migliorare le prestazioni. Comprendere questa interazione fluido-struttura a un livello molto elementare, potrebbe aiutare a informare nuovi progetti di aerei e sottomarini con un tipo di locomozione molto diverso.

Dalle vibrazioni dello specchietto retrovisore proprio mentre la tua auto raggiunge esattamente i 70 miglia orarie a un edificio che crolla quando, in un terremoto, inizia a vibrare ad una frequenza specifica, c'è energia non sfruttata che potrebbe essere sfruttata per la propulsione. In recenti ricerche, Andres J. Goza, trovato relazioni tra le frequenze e le dinamiche passive in gioco quando i veicoli si muovono in aria o acqua verso una migliore comprensione di come utilizzare queste forze per migliorare le prestazioni.

Secondo Goza, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, il suo lavoro è uno sforzo per cercare nuove strategie di propulsione bio-ispirate.

"I pesci nuotano in modo molto efficiente e gli uccelli possono volare in modo molto efficiente, quindi come possiamo usare quelle osservazioni per informare i cambiamenti di paradigma reali nelle strategie di locomozione che progettiamo, " ha detto. "Per esempio, l'ala di un uccello e la coda di un pesce sono flessibili e quando questi animali volano o nuotano, l'aria e l'acqua intorno a loro inducono un movimento passivo.

"Un altro esempio è quando l'aria passa davanti a una bandiera, facendolo sbattere, influenza il movimento dell'aria intorno ad esso, " ha detto Goza. "Se riusciamo a capire questa interazione fluido-struttura o accoppiamento fluido-struttura a un livello molto elementare, potremmo usarlo per progettare aerei e sottomarini con un tipo di locomozione molto diverso?"

Goza ha detto che la velocità del flusso d'aria o dell'acqua intorno al veicolo e la densità dei materiali di cui sono fatti giocano un ruolo, sia nella risonanza che nel movimento passivamente indotto.

"Gli scienziati hanno capito, al di fuori di questo contesto di interazione fluido-struttura, che c'è una risposta profonda quando si eccita una struttura o un sistema alla sua frequenza di risonanza, " disse Goza. "Ma che ruolo giocano queste dinamiche passive, e possiamo sintonizzare le proprietà strutturali in modo che la frequenza di risonanza del tuo sistema sia in qualche modo legata in modo significativo al flusso, ovvero alla mozione che stai prescrivendo?"

Un punto critico in questa ricerca era che la definizione standard di frequenza di risonanza presumeva che la struttura fosse nel vuoto. "Ma non lo è; è nel fluido e il fluido influenza la frequenza di risonanza, " Disse Goza.

Di conseguenza, il primo passo è stato definire una nozione di risonanza che incorporasse l'effetto del fluido.

"Uno dei grandi contributi di questa ricerca è stato definire senza ambiguità questa frequenza di risonanza, e quindi confermando che su un'ampia gamma di parametri diversi vediamo effettivamente benefici prestazionali vicino a questa frequenza di risonanza, " ha detto. " Vale a dire, se la struttura sbatte o si muove ad una certa frequenza all'interno di questo flusso, porta ad un miglioramento della spinta."

Goza ha affermato che i calcoli dell'ampiezza di sollevamento più grandi riflettono maggiormente il nuoto dei pesci. I risultati hanno indicato che a queste ampiezze maggiori, entrambi i meccanismi risonanti e non risonanti hanno giocato un ruolo.

"La risonanza è definita in termini di ondulazioni super piccole, ma capiamo che i pesci stanno effettivamente nuotando a grandi ampiezze, " Ha detto Goza. "Abbiamo colmato il divario tra la definizione di cosa significa risonanza in questa impostazione di piccola ampiezza quando c'è un fluido presente, ma anche abbracciando il fatto che i pesci subiscono emozioni molto più grandi. Abbiamo stabilito connessioni con i risultati nel caso di piccola ampiezza, scoprendo che i vantaggi in termini di prestazioni persistono vicino alla risonanza anche a grandi ampiezze che sono effettivamente rilevanti per la propulsione biologica".

A seconda del regime, Goza ha detto, il picco di spinta è vicino a questa frequenza di risonanza associata a una piccola ampiezza.

"La chiave è, mentre ti muovi verso queste grandi ampiezze, la risonanza continua a svolgere un ruolo predominante. Abbiamo scoperto che la nozione di risonanza di piccola ampiezza lineare era appropriata per prevedere e comprendere questi picchi e spinte nella maggior parte dei casi.

"Se questo movimento passivo può essere utile nella locomozione, può ridurre la quantità di energia immessa nel sistema, " Ha detto Goza. "Possiamo sfruttare queste dinamiche passive e lasciare che facciano la propulsione per noi".

Goza ha detto che una delle prossime fasi di questa ricerca sarà quella di esaminare materiali attivi moderni che possono essere sintonizzati per avere la giusta frequenza di risonanza per indurre dinamiche passive con l'uscita desiderata.