Why It’s So Hard to Build a Wing-Flapping Flying Machine

Human Birdwings

Kiedy mężczyzna identyfikujący się jako Jarno Smeets umieścił na YouTube film, na którym widać, że leci z domowej roboty skrzydłem, natychmiast trafił do sieci i wywołał falę radości i zachwytu: On potrafi latać jak ptak! Równie szybko pojawiła się fala szyderstw. Niemożliwe, oświadczyli wątpiący – to oszustwo. I rzeczywiście, kilka głębszych raportów i analiz poddało w wątpliwość autentyczność filmu. W końcu, przyznał, że to był żart.

Ale przez chwilę, możliwość pozostała: Dążenie ludzkości do stania się istotą powietrzną, marzenie starsze nawet od Ikara, w końcu stało się rzeczywistością.

Jedną z osób, która obejrzała klip ze szczególnym zainteresowaniem, był Todd Reichert, świeżo upieczony doktorant z Instytutu Studiów Aeronautycznych Uniwersytetu Toronto. Reichert kierował zespołem z uniwersytetu, który zbudował napędzany przez człowieka ornitopter – samolot, który napędza się poprzez trzepotanie skrzydłami jak ptak lub nietoperz. W 2010 roku Reichert wspiął się na pokład tego statku, Snowbird, i pilotował go podczas rekordowego lotu. Jest on najrzadszym z naśladowców ptaków: weteran pilot ornitoptera, który rzeczywiście pokonał drogę w powietrzu.

Jak Reichert oglądał film Smeetsa, jego pierwsze wrażenie było takie, że wydawał się on mniej lub bardziej wiarygodny. Skrzydła były trochę za krótkie, pomyślał, a plecakowa jednostka napędowa była trochę za mała – ale nie jakoś szczególnie. Potem nastąpił start, moment, w którym stopy pilota odrywają się od ziemi, a statek wzbija się stromo w powietrze. To właśnie w tym momencie, mówi Reichert, zdał sobie sprawę, że taśma jest fałszywa. „Tylko na pierwszy rzut oka, to nie jest nawet blisko”, mówi.

Dla tych z nas, którzy nie są pilotami ornitopterów, może nie być od razu oczywiste, dlaczego tak jest. Przecież ptaki mogą wznosić się jeszcze bardziej stromo niż Smeets. Podobnie nietoperze i owady. W rzeczywistości lot ze skrzydłami jest tak łatwy, że ewoluował niezależnie w królestwie zwierząt co najmniej cztery razy. „Skrzydło może zapewnić lepszą wydajność napędową niż śmigło” – mówi Reichert.

Ale sposób, w jaki lata ptak, bardzo różni się od sposobu, w jaki robi to mechaniczny ornitopter. Reichert doskonale zdaje sobie z tego sprawę, ponieważ tematem jego pracy doktorskiej było porównanie dynamiki lotu zwierząt z dynamiką lotu statków stworzonych przez człowieka. Okazuje się, że ptaki są o lata świetlne przed nami, ludźmi, jeśli chodzi o trzepotanie skrzydłami. „Ptak nieustannie zmienia kształt swojego skrzydła w trakcie lotu, składając je do środka podczas wznoszenia i rozkładając z powrotem podczas opadania” – mówi. (Aby uzyskać doskonały przykład, sprawdź to wideo puchacza w locie z prędkością 1000 klatek na sekundę). „Skrzydło porusza się również szybciej przy skoku w dół niż przy skoku w górę. Widzimy więc, że wykonują one wszystkie te skomplikowane dodatkowe ruchy, a z każdą warstwą złożoności ptak staje się coraz bardziej wydajny. Skrzydło ornitoptera, w przeciwieństwie do tego, po prostu trzepocze w górę i w dół.”

Dlatego właśnie własny występ ornitoptera Reicherta był o wiele mniej imponujący niż wideo Smeetsa, którym Internet zachwycił się w tym tygodniu. (Do swojego rekordowego lotu jego zespół wyholował Snowbirda w powietrze na wysokość kilku stóp, a następnie zdołał utrzymać go w powietrzu przez mniej niż minutę, gdy szybował, utrzymując wysokość, ale stopniowo tracąc prędkość. Być może nie jest to wydajność spalania w stodole według standardów konwencjonalnego lotnictwa, ale nadal jest to najbardziej imponujący lot skrzydłowy napędzany siłą ludzkich mięśni jak dotąd.

Reichert twierdzi, że skrzydło mogłoby być bardziej wydajne, gdyby jego zespół próbował naśladować złożoność skrzydła ptaka. „Problem w tym, że w inżynierii nie tędy droga” – mówi. „Nie chcesz powiedzieć: 'Och, dodajmy złożoność, aby uzyskać wydajność’. „

Jednym z oczywistych sposobów na zwiększenie wydajności jest oczywiście dodanie silnika. (Podobno konstrukcja Smeetsa zawierała zestaw akumulatorów i siłowniki elektryczne). Historia załogowych ornitopterów z napędem sięga 1942 roku, kiedy to niemiecki inżynier Adalbert Schmid podobno zbudował jeden napędzany silnikiem o mocy 6 KM, który był w stanie wystartować o własnych siłach i latać przez 15 minut. Nathan Chronister, który od lat dokumentuje romantykę latania na skrzydłach na swojej stronie internetowej The Ornithopter Zone, twierdzi, że teoretycznie nie ma powodu, dla którego ktoś nie mógłby osiągnąć tego, co twierdził Smeets. „To może być zrobione,” mówi.

Ale, mówi, rzeczywiste funkcjonowanie rzemiosła „nie wyglądałoby całkiem jak .” Skrzydło musiałoby być dłuższe i sztywniejsze, aby zwiększyć wydajność, a także musiałoby mieć jakieś środki stabilizacji, aby nie spadać z nieba. I, jak mówi, nie byłoby to skrzydło na pasku – „ta konfiguracja okazała się być bardzo niebezpieczna” – ale zamiast tego jednostka, do której pilot może się przypiąć.

Reichert zgadza się, że coś takiego jak konstrukcja Smeetsa może być wykonalne. „Ktoś mógłby to zrobić”, mówi. „Ale wyzwanie jest tak ogromne. To nie jest coś, co mógłbyś zrobić pracując w swoim ogródku przez kilka miesięcy.”

Someday, then, someone might actually bring the dream come to life. Jarno Smeets po prostu nie był tym, któremu się to udało.

Jeff Wise jest redaktorem współpracującym z Popular Mechanics i autorem książki Extreme Fear: The Science of Your Mind in Danger. Aby uzyskać codzienną dawkę ekstremalnego strachu, sprawdź jego blog.

.