Nu hjälper staren ingenjörerna

När flyttfåglarna på våren kommer från Afrika till Europa är det några som plötsligt verkar ha fått nog. De flyger på 3 000 meters höjd över vattnet, men när de ser land faller de fritt mot marken.

Detta är ett fenomen som ger viktiga ledtrådar till hur stort luftmotstånd en fågel har. Anders Hedenström, professor i teoretisk ekologi vid Lunds universitet, tänkte ut metoden när han studerade radarekon av flyttfåglar.

– En del ekon bara försvann, berättar han. Det var de dykande fåglarna, och då kom jag på att vi kunde mäta hur snabbt de föll.

Med hjälp av kolleger i Málaga mätte man fåglarnas hastighet. De kan komma upp i 250 kilometer i timmen när de faller fritt. Det enda som bromsar dem är luftmotståndet. Genom att räkna på fallhastigheten kunde Anders Hedenström räkna ut hur stort motstånd en fågelkropp gör. Luftmotståndet anges med det så kallade cd-talet: ju lägre tal, desto lägre luftmotstånd. Fåglarna visade sig ha ett cd-tal på 0,16. En personbil ligger på ungefär 0,3.

Djupfrysta fåglar

Tidigare hade man räknat fram värdet med hjälp av teoretiska modeller och genom att placera djupfrysta fåglar i vindtunnlar, men nu fick man ett värde som var betydligt mer användbart.

Att känna till en fågels genomsnittliga luftmotstånd är intressant eftersom det är just den kraft som en fågel måste övervinna när den tar sig framåt. Det är därmed en viktig ledtråd när man ska kartlägga hur fåglar flyger. Möjligen skulle det också kunna ge ledtrådar till hur man bör bygga nya små flygande farkoster eller mer energieffektiva flygplan. Det skulle i så fall vara ett trendbrott. Tvärt emot vad man skulle kunna tro är inte mycket av flygets – eller andra farkosters – former inspirerade av naturens lösningar. Naturen är alltför svårfångad, och först på senare år har forskarna börjat förstå fåglarnas, fladdermössens och insekternas aerodynamik.

Udda forskning på Åland

Ett kanske ännu mer udda experiment tog Henrik Alfredsson till när han skulle mäta fiskars motstånd i vatten. Han är professor i strömningsfysik vid Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm, och han ville mäta skillnaden i motstånd mellan olika fiskarter. Alla fiskar är lite slemmiga, men olika arter tycks ha olika slem och därmed olika motstånd. För att mäta detta åkte Henrik Alfredsson tillsammans med en kollega till dennes ö i den åländska skärgården där det finns gott om försöksobjekt.

De fångade gädda, flundra och strömming. När fiskarna var nyfångade drog de med handen längs dem och sköljde sedan av handen i en vattentank. En tank för varje fiskart. Vattnet i tankarna jämfördes sedan med vanligt östersjövatten vad gällde motstånd. Det visade sig att gädda och flundra har ett slem som ger mindre vattenmotstånd, medan strömmingens slem inte gör någon skillnad.

– Gäddan är en rovfisk och måste vara snabb, och flundran har stor yta och därmed stor friktion mot vattnet. Strömmingen är liten och en stimfisk, så den behöver kanske inte vara så snabb, gissar Henrik Alfredsson.

Experimentet är inte publicerat men tjänar som ytterligare ett exempel på de metoder som forskarna tar till när de försöker komma underfund med naturens lösningar för att minska luft- och vattenmotstånd.

En fisk som verkligen dragit till sig forskarnas intresse är hajen. Möjligen kan det vara för att dess utseende inte har förändrats så mycket genom årmiljonerna och att man därför kan anta att formen är ovanligt lyckad. Dessutom verkar den simma jämförelsevis energieffektivt. Hajskinnet har undersökts med bland annat svepelektronmikroskop, och dess form och funktion är väl kartlagd.

Diskutabla hajkläder

Hajens hud består av hårda fjäll med små räfflor, en tiondels millimeter breda. Räfflorna styr vattnet så att både friktionen och tryckmotståndet minskar. Förenklat uttryckt kan man säga att räfflorna ser till att de små vattenvirvlar som uppstår allra närmast hajhuden inte sprider sig utan tvärtom gör att hajen glider enklare genom vattnet.

Men trots att det för några år sedan lanserades en hajskinnsinspirerad baddräkt för tävlingssimmare finns det inga vetenskapliga belägg för att dessa imitationer verkligen fungerar. De flesta forskare är skeptiska till att simkläderna verkligen ger mindre motstånd än vanliga simkläder. En simmande människokropp liknar inte alls en hajs, så det som hjälper en haj kanske till och med har motsatt effekt på en simmande människa. Räfflor gör att ytan mot vattnet ökar, och ökad yta betyder ökad friktion. Tillverkaren av simkläderna hävdar dock att de har kunnat mäta en positiv effekt av hajkläderna.

Riblets fungerar nog

Därmed inte sagt att räfflor eller andra ojämnheter i en yta inte minskar motståndet. Både flygplansvingar med så kallade riblets och segelbåtsskrov med räfflor har provats med viss framgång. Men trots att dessa stela konstruktioner är betydligt enklare att räkna på än en simmande haj, är de tillräckligt komplicerade för att det ska vara svårt att visa en sammantagen positiv effekt.

Tidigare i år skrev vi i Forskning & Framsteg om Jens Franssons försök vid Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm. Han kunde visa att små ovala puckar på en annars slät yta kan minska luftmotståndet. Även här handlar det om förenklade geometriska former i en vindtunnel, och forskarna är noga med att påpeka att de inte vet exakt vad det är puckarna åstadkommer.

De små förhöjningarna prövas nu på KTH:s bidrag till Shell Eco-marathon, en tävling för extremt bränslesnåla farkoster. Det gäller att köra så långt som möjligt på bränsle motsvarande en liter bensin. Världsrekordet just nu ligger på 380 mil, och KTH hoppas kunna slå det.

– Ett minskat luftmotstånd spelar mycket stor roll för resultatet i tävlingen, berättar Alessandro Talamelli, italiensk gästprofessor vid KTH, som hjälpt till med att i vindtunnel utprova bilens form och de puckförsedda plattornas placering.

Testa i datorn

Även om försök i vindtunnel ger viktiga ledtrådar till hur en bil eller ett flygplan kommer att bete sig, finns det förhållanden som kan vara svåra att efterlikna i tunneln. I vissa fall kan det då vara bättre att utföra försöken i en dator. Det är dessutom mycket billigare.

I datorn kan man till exempel låta en bil köra med rullande hjul på en väg som rör sig. I en vindtunnel står bilen oftast stilla i förhållande till marken. Enligt Sinisa Krajnovic, docent i tidsberoende strömningssimuleringar inom fordonsdynamik vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg, kan skillnaden i luftmotstånd vara så stor som 8 procent mellan en stillastående bil där bara luften rör sig och en bil som faktiskt rusar fram på vägen.

I datorn kan Sinisa Krajnovic också testa hur ett tåg med extremt lågt luftmotstånd klarar sidovindar.

– Det går att bygga tåg med jättelågt luftmotstånd, men då förstör man lätt allt annat, säger han. Jag vill utveckla en metod där man optimerar luftmotstånd, sidovindsstabilitet och aeroakustik, det vill säga hur mycket oväsen tåget gör.

Men det finns mycket som än så länge är omöjligt att testa i en dator. Datorernas beräkningskapacitet sätter gränser för hur noggranna beräkningarna kan vara. Ofta räknar man därför på förenklade modeller eller ekvationer. Sinisa Krajnovic forskargrupp försöker också förfina beräkningsmetoderna så att de ska kunna få betydligt högre noggrannhet redan med dagens datorprestanda.

Svaret i vaken

Dessutom försöker man koncentrera de noggranna beräkningarna till de ställen som man erfarenhetsmässigt vet är viktigast, som den så kallade vaken, ”kölvattnet”, bakom en farkost. För en långtradare står luftvirvlarna i vaken för så mycket som 30 procent av luftmotståndet.

Även Anders Hedenström söker sina svar i vaken. Han använder dock inga förenklade modeller, utan tvärtom de mest komplicerade modeller som finns: riktiga fåglar och fladdermöss.

Anders Hedenström försöker förstå aerodynamiken, bland annat luftmotståndet, hos dessa djur genom att studera dem i vindtunnel. I luftvirvlarna bakom det flygande djuret finns det spår som berättar hur mycket kraft som gått åt för att övervinna luftmotståndet och tyngdkraften och få fågeln att flyga.

– Det är både svårt och spännande. Vi fyller hela vindtunneln med dimma och blixtrar sedan med en laser och tar bilder som visar dimpartiklarnas förflyttning.

Flaxandet behövs

I vindtunneln i Lund använder Anders Hedenström och hans kolleger levande försöksdjur. Det har tidigare gjorts försök med frysta fåglar och delar av fåglar för att få specifika mått på till exempel stjärtens eller vingens effekter på luftmotståndet. Men det är först med ett levande flaxande djur som man får hela svaret.

De levande djuren sätter forskarnas uppfinningsrikedom på extra prov. Hur får man en fågel eller en fladdermus att flyga på samma ställe i en vindtunnel? De fladdermöss som man just nu låter flaxa i vindtunneln är en tropisk art som är särskilt förtjusta i honungsvatten. Man låter dem helt enkelt flyga och äta från ett rör i vindtunneln, för på så vis får man dem att flyga på samma ställe.

Bakom fladdermusen eller fågeln bildas en oval ring, likt en rökring. Lutningen på ringen berättar om förhållandet mellan de två krafterna som vingarna producerar, den lyftande kraften som ska övervinna tyngdkraften och den framåtdrivande kraften som ska övervinna luftmotståndet.

Dessutom roterar ringen, och den rörelsen avslöjar hur stark lyftkraften är.

– Fortfarande 80 centimeter bakom djuret är den intakt, säger Anders Hedenström.

Ett skäl till att man intresserar sig för fladdermöss är att de representerar en annan evolutionär utvecklingslinje än fåglar. Fladdermöss verkar ha annorlunda vingföring än de flesta fåglar. De viker till exempel sina vingar så att de får lyftkraft både när vingen slår upp och när den slår ner.

Finns det flygarter?

En fråga som Anders Hedenström nyligen har undersökt är huruvida fåglar har olika flygarter motsvarande hästars olika gångarter, som skritt, trav och galopp. Tidigare forskning har pekat på att fåglar har två flygarter, två växlar: en långsam och en snabb. Men Anders Hedenström fann något annat.

– De verkar kunna reglera kraften helt steglöst, säger han.

Sedan är det en annan sak att fåglarna har behov av två olika växlar, två olika hastigheter. I vissa fall vill fågeln bara hålla sig uppe i luften, i andra fall vill den förflytta sig från en plats till en annan. Det gäller att hushålla med energin.

En sånglärka flyger med omkring 20 kilometer i timmen (5-6 meter per sekund) när den sjunger, men drygt det dubbla när den ska förflytta sig.

– Det kan se ut som om sånglärkan står stilla i luften när den drillar, men det är för att normal vindhastighet är 5-6 meter per sekund. Om det är vindstilla flyger den i vida bågar.

Intresset har vaknat

– Vår motivation är att förstå djurens transport, säger Anders Hedenström.

På senare tid har forskningen i Lund kommit att bli intressant även för ingenjörer i industrin. Där hade ingen tidigare brytt sig särskilt mycket om små och långsamt flygande djur som fåglar och fladdermöss. De har varit just för små och för långsamma, dessutom har aerodynamiken faktiskt varit alltför komplicerad. Industrin har i stället fokuserat på stora vingar till flygplan som flugit i flera hundra kilometer i timmen.

Men nu när det plötsligt finns efterfrågan på små långsamt flygande farkoster, till exempel små övervakningsrobotar, måste forskarna börja om från början.

Tidigare har de till exempel kunnat bortse från luftens viskositet. Det går inte vid lägre hastigheter.

– Paradoxalt nog är det lättare att förutsäga och analysera luftströmmarna runt en jumbojet än runt en enkel linjal som man för långsamt genom luften, säger Geoff Spedding, vid University of Southern California, som samarbetar med Anders Hedenström i Lund.