זבובי הפירות (המוכרים גם בשם דרוזופילה) משמשים לרוב כמושא מחקר בתחום הגנטיקה. לא כאלה הזבובונים של צוות המחקר של אוניברסיטת CalTech (קליפורניה) – אלה מהווים מודל לחקר תעופה.
מאת: מאיה גבעון
זבובי הפירות (המוכרים גם בשם דרוזופילה) משמשים לרוב כמושא מחקר בתחום הגנטיקה. לא כאלה הזבובונים של צוות המחקר של אוניברסיטת CalTech (קליפורניה) – אלה מהווים מודל לחקר תעופה.
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Proceedings of the National Academy of ScienceProceedings of the National Academy of Science, מתפרסמות תובנות חדשות לגבי יכולתם של הזבובים לשמור על מהירות קבועה ביחס לקרקע, גם בתנאים של רוח משתנה. התפיסה הרווחת מיחסת לעיניהם המורכבות של הזבובים – כמו גם של חרקים מעופפים אחרים – את תפקיד המפתח בהתמצאות במרחב, ולפיכך גם בשליטה ובקרה על התעופה, כולל שמירה על מהירות קבועה והתאמת המהירות להתנגדות הרוח. עם זאת, ניסויים אחרונים העלו ממצאים מפתיעים.
הזבובונים במעבדות קל טק בקליפורניה הוכנסו למנהרת רוח, וצולמו בכל זמן נתון על ידי חמש מצלמות, ומזוויות שונות. המצלמות הזינו את הנתונים למחשב שתפקידו לנתח את תנועת הזבובונים (כיוון, מהירות, תאוצה וכו’). בעת שאלה נחשפו לפרצי רוח מהירה, במהירות של חצי מטר לשניה, הם הפגינו התנהגות הפוכה מהמצופה: ברגע הראשון הם האיצו כאשר הרוח הגיחה מאחוריהם, או האטו אם הרוח באה מולם. מייד לאחר מכן תוקנה תנועתם והם חזרו למהירות קבועה ומבוקרת.
צוות החוקרים סבר כי כוח החישוב הנדרש ממערכת הראיה גדול ביותר ולכן איטי יחסית – ותהה אם קיים חיישן נוסף המפצה על העיכוב בתגובת מערכת הראיה. הפתרון התגלה במחושי הזבובים. בניסוי אחר, זבובים שמחושיהם הוסרו עדיין האיצו עם כיוון הרוח, אך הפגינו חוסר יכולת לחזור ולשמור על מהירות קבועה ביחס לקרקע.
כדי לבחון את תפקיד מערכת הראיה באופן נפרד, תכנן הצוות ניסוי, בו הוקרנה אנימציה על קירות מנהרת הרוח במהירות שאמורה הייתה להטעות את הזבובים להרגיש שאין שינוי במהירות הרוח. גם בניסוי זה, הזבובים הגיבו בשינוי תאוצה פתאומי עם כיוון הרוח – אך לא היו מסוגלים לחזור למהירות קבועה.
מכאן הסיקו החוקרים כי חיישני הרוח על מחושי הזבובים אחראים לחישה ולתגובה המהירה לשינוים במהירות הרוח, בעוד שהמידע המתקבל ממערכת הראיה בעיכוב מסייע להם לשוב ולחזור למהירות קבועה ולשמור עליה לאורך זמן. יש כאן למעשה מנגנון של פיצוי וחיסכון: במקום להתבסס רק על המערכת ה”יקרה” והאיטית של הראיה, האחריות על הפונקציה פוצלה לחיישן נוסף – פשוט ו”זול” הרבה יותר, הנמצא על המחושים ומספק מענה נקודתי ומהיר לצורך מוגבל.
מודל זה עשוי להוות השראה לבניית רובוטים מעופפים קטנים, שגם בהם שמירה על מהירות קבועה מהווה אתגר המצריך חיישנים שבחלקם כח החישוביות הנדרש גדול ומאט את הפעילות. שימוש בחיישן פשוט נוסף לחישוב פונקציה זו עשוי לפתור את הבעיה.
עוד באותו הנושא באתר הידען:
14 תגובות
ls
אז עוד כמה תיקונים קטנים.
יש מספר מהירויות במטוס. מה שרואים במד המהירות הינו IAS, קרי מהירות אווירית מוצגת. יש מטוסים שיש בצד טבלה לכיול, CAS, וזו המהירות המכויילת. זה פחות מעניין במטוסים חדשים. ה-IAS היא המהירות החשובה לתכונות טיסה, והיא אכן תלויה ישירות בצפיפות האוויר. יש גם TAS, שזו מהירות האמיתית של המטוס והיא כמעט ולא מעניינת. לחישוב TAS צריך טמפרטורה חיצונית. יש מספר מאך, שכן מעניין למשל, בטיפוס אופטימלי. למשל, אני רגיל לטיפס כזה: שמור מהירות מכשירית של 350 קשר עד ל 0.90 מאך ואז תשמור מאך קבוע.
יש גם EAS, שמתקנת לצפיפות האוויר ולא לטמפרטורה, אבל זה לא מעניין את הטייס. ויש מהירות קרקע שחשובה לניווט.
ISA הינו בינלאומי ובפרוש כן מעניין בטיסות מסחריות. מעל גובה מסויים עוברים לגובה QNE, שמבוסס על ISA.
בהמראה לא צריך לבקש QNH, אתה פשוט מכייל את גובה השדה על השעון. מקבלים גובה QNH מהמגדל כשאת מצטרף לנחיתה, כי הגבהים של התבנית מבוססים על גובה זה.
ולגבי הזבוב, אני מסכים לגמרי.
ה ro, צפיפות האוויר נעלם לי בתגובה. שלי צריך להוסיפו ללחץ הדינמי ולמשוואת הגזים.
טיסה נעימה.
ניסים,
תודה על המצגת. מאירת עיניים ומעניינית .
אבל בוא נמשיך לדייק.
ג. אתה ממעיט בערך צינור הפיטו הרשה לי להגן על כבודו. גם במחיר טרחנות מה.
צינור פיטו מעצם טיבו מתחשב בצפיפות אוויר וטמפרטורה מאחר והלחץ הינו RsT ῥ = P כלומר צפיפות האוויר (שמשתנה בגובה וכתלות במז”א באותו יום) כפול קבוע הגזים הספציפי , כפול טמפ’ [K] .
יתר על כן EAS וCAS הינן מהירויות מתוקנת לפי שורש יחסי צפיפויות האוויר בגובה הקרקע חלקי צפיפות האוויר בגובה הטיסה.
וגם בסופו של דבר מפיק את המהירות מתוך הלחץ הדינמי v^2ῥ = 2Pd , כפי שציינת. (הנוסחאות לא יוצאות יפה בטוקבק)
למה כל זה חשוב , מי שמתכנן טיסה שמצריכה שהיה של מספר דו ספרתי של שעות וחזרה על בינגו דלק צריך להבין מה המהירות הכי יעילה שלו לטווח בתנאים של אותו יום ולא תנאי ISA אירופאים.
אבל יש טייסים שיכולים לתדלק באוויר ולא חייבים לטוס על הקצה ולחפש נק’ נ”א כל הדרך :).
הפרשים בין חרירי לחץ סטטי שמפוזרים בהיקף הפיטו יכולים לתת מידע גם זווית ההחלקה וזווית ההתקפה.
זאת ועוד , לפני המראה מבקשים לחץ QNH מהבקר האווירי כדי “לתקן” את הגובה הברומטרי שמדווח שוב…. הפיטו, כדי שכולם במרחב האווירי יטוסו באותו גובה לחץ.
לאחר הגלישה הקלה נחזור לזבוב. נראה לי שאת פונקציות זיהוי שינויי מהירות CAS וזווית החלקה מבצע הזבוב באמצעות המחושים.
בקרת הגובה מתבצעת באמצעות ייחוס לקווי מתאר אופקיים בסביבה ופחות מזה באמצעות שימור קצב זווית של תנועה מעל הקרקע. הנה סרטון שמראה זאת.
https://www.youtube.com/watch?v=P4FDRqz3f0k
עוד רגע נגיע גם לבקרת שינויי קצב (כנראה שאין) ותאוצה (יש, מדי התאוצה מאחורי הכנף) .
ד. בניגוד למטוס כנראה שניתוקי זרימה פחות מטרידים זבובים מכיוון שהצמיגות משחקת תפקיד דומיננטי (מס’ ריינולנדס נמוך) בקצבי הנפנוף של הכנפיים ובגודל כנף שכזאת. נראה שהזבוב לפי כמה סרטונים שמצאתי ברשת בכלל לא מסתמך על עקימון הכנף על מנת לייצר עילוי כמו מטוסים או ציפורים, אלא מייצר מערבולות שפת התקפה, leading edge vortex. ראה סרטון TED מדקה 3:00
https://www.youtube.com/watch?v=e_44G-kE8lE
ה. כמובן שאתה צודק בהגדרה, כוונתי הייתה שבסופו של דבר הזבוב מכוון את ווקטור העילוי כך שיספק לו גם דחף וגם עילוי, חיובי או שלילי. וכן נעליים, אני אדם נשוי וכבר ראיתי נעליים עפות בעיקר לכיווני.
ו. יציבות – אתה מכוון לבקרת הטיסה , ואני מתכוון למרווח היציבות הסטאטי או הדינמי.
ז. איני בטוח מהסרטונים , אבל נראה שיש אופן טיסה של נפנוף מעלה מטה מעט בדומה לציפור, ואופן טיסה של נפנוף ונפנוף הפוך. האחד משמש להתקדמות מהירה קדימה והשני לריחוף ותמרונים. ייתכן שקצב הדגימה בסרטונים אינו מספיק מהיר ושניהם זהים…
ח. וזה לדעתי לוז העניין, אז איך עובדת בקרת הטיסה של זבוב?
בקרת מתקדמת מבקרת שש דרגות חופש – שלושה כיוונים קוויים ושלושה זווייתים. בכל ציר מבוקר מצב ( State), קצב ( Rate ) נגזרת של מצב, תאוצה (Accelaration ) נגזרת שניה של מצב. המהדרין מוסיפים גם Jerk & Snap , נגזרת רביעית וחמישית בהתאמה, שמכל מיני סיבות מצוין לתמרונים חריפים ומשבים חריפים.
מה יודע לבקר זבוב ללא מערכות ג’ירו , ללא FOG, LRG, MEMS, VGU או RGU, GPS ושאר עזרים טכנולוגיים.
מצב זוויתי, מהירות קרקעית וגובה מבוקר באמצעות הראייה
קצב זוויתי , כנראה שאין בקרה
תאוצה זוויתית באמצעות ה halters מאחורי הכנפיים
ותאוצה קווית יחסית באמצעות השערות על המחושים.
ואת זה הוא מבצע בערך בקצב דגימה של 200 Hz , פעמים בשניה, 5 מילשניות בין דגימות, עם שכל במשקל זניח. מרשים.
אסף
אני מבין שאתה יודע יותר ממה שהמומחים בתחום יודעים.
לא נראה לי שהבנת את הכתבה…..
ממש תגלית המחושים עוזרים בזמן התעופה. אולי אם המדענים הנכבדים היו קוראים מחקרים היו מגלים שיודעים על כך כבר לפני יותר מ-100 שנה. למשל האיבר הידוע ביותר במחוש שמודד מהירות נקרא Johnston’s organ.
ls
יש הסבר יפה למעוף חרקים כאן – http://web.neurobio.arizona.edu/gronenberg/nrsc581/powerpoint%20pdfs/flight.pdf
ls
בוא נדייק…
ג) צינור פיטו משמש אך ורק למדידת לחץ כולל. יש בנוסף, פתחים סטטיים למדידת לחץ סטטי – וההפרש ביניהם הינו הלחץ הדינמי. הלחץ הדינמי נותן את מהירות האוויר המכשירית (IAS או CAS). בעזרת מדיד טמפרטורה (שאינו כלל חלק ממערכת פיטו) ניתן לחשב מהירות אוויר אמיתית. אין כל דרך לדעת מה הרוח במטוס – אלא בעזרת מערכת ניווט אינרציאלית (ו/או GPS).
מה שכן – העילוי – במטוס כנף קבועה בלבד – תלויה במהירות המכשירית, לא במהירות האמיתית ובטח לא במהירות הקרקעית (זו המתחשבת ברוח).
ד) מה שאתה אומר כאן לא כל כך נכון. תנועת הכנפיים מספקת גם עילוי וגם דחף. לכן, הכנפיים לא מנסות לחפש זווית התקפה אופטימלי – הן מנסות להזיז את הזבוב לאן שהוא רוצה. בכלל, האווירודינמיות במעוף חרקים מאוד שונה מהאווירודינמיקה של מטוסים. כל נושא המערבולות שם משפיע יותר למשל, בגלל מהירות הטיסה הנמוכה (ואפילו טיסה לאחור).
ה) זווית ההתקפה היא הזווית בין מיתר הכנף לזרימת האוויר הרגעית. לא ניצב ולא נעליים…
ו) לגבי היציבות – לזבוב יש פטנט שונה לגמרי – מייצבים גירוסקופיים. זה דומה למה שיש למסוקים הקטנים שמוכרים בחנויות צעצעוים. אני אישית טסתי הרבה שנים על מטוס לא יציב בכלל … זה לא אפשרי לטענתך?
ז) אתה אומר מודי טיסה שונים. שונים ממה? אין לו כל מצב של טיסה בזווית התקפה קבועה.
ח) זה נכון מה שאתה אומר, אבל מסוק מאוד שונה מפרופלור. בנוסף לסיבוב הרגיל של הלהב – הלהב מסתובב סביב ציר האורך שלו, עולה ויורד, נע קדימה ואחורה (ביסעור למשל) ואף מתכופף ללא הרף.
ט) צופר הזדקרות … אתה צודק (הגיל שלי מתבטא כאן 🙂 ). ב F15 יש צפצוף לזווית התקפה גבוהה (ולקצב סבסוב גבוה), וב F16 אין שום אזהרה קולית לזווית התקפה. אני מניח שלגבי תעופה אזרחית אתה צודק, אין לי באמת מושג.
ניסים ובנימין,
לפחות על פי המידע בכתבה –
א. תרחיש הבדיקה כלל אופן טיסה ישרה ואופקית במנהרת רוח.
ב. גם תמרונים שאינם ישרה ואופקית מחייבם שמירת מגבלות זווית התקפה של הכנף , כך שהבדיקה מורכבת יותר, אבל זהה במהותה.
ג. במטוס משמש צינור הפיטו למדידת המהירות האווירית ו”ניקוי” השפעות הרוח (וגם לחץ הסביבה, וגם צפיפות האוויר וטמפרטורה) , הזבוב כנראה משתמש בשינוי זרימת האוויר על המחוש על מנת לבצע את אותה פונקציה.
ד. תנועת כנפי הזבוב, כמו גם ציפורים בסוג טיסה כזה, בסה”כ מנסה לשמר את זווית ההתקפה שמתאימה לטיסה . בתעבורה טיסה שמשמרת יחס דחף לגרר מיטבי (L/D_max). בתמרונים חריפים תנועת הכנף עשויה להביא לזווית התקפה מקסימלית אפשרית (Alpha_max) גם אם הגרר היחסי גבוה יותר ומבזבז יותר אנרגיה.
ה. זווית התקפה היא ווקטור של הזרימה בכיוון הטיסה ובניצב לטיסה. ניתן לשמר אותה ע”י תנועה קדימה בזווית קבועה של כנף מטוס או על ידי תנועה מעלה מטה תו”כ תנועה קדימה או אחורה על ידי כנף זבוב.
ו. נושא היציבות – מורכב. בעיקרון במטוס כנף קבועה, היציבות מושגת ע”י זה שמרכז הכובד נמצא לפני (לכיוון האף) מרכז הלחץ של הכנף (הנק’ שעליה פועל שווה ערך העילוי), או ליתר דיוק הנק’ הנייטראלית, מי שזה קריטי לו. במטוס נתון כדי להגדיל את היציבות מוסיפים משקל מקדימה לפעמים על ידי משקולות ברמת השטח, או הזזת רכיבים במטוס ברמת התכן. ייתכן שהזבוב פועל הפוך ומזיז (מקרב) את הנק’ הנייטראלית למרכז הכובד כדי להופכו לפחות “יציב” וכך להקל על תמרונים חריפים אבל שוב זה לא משתמע ממתאר הבדיקה.
בריחוף של הזבוב ברור שהפיכת הנפנוף של הכנף היא זו שמאפשרת לזבוב להתייצב בנקודה אחת.
ז. לזבוב יש אופני טיסה נוספים שלא נבדקו פה, למיטב הבנתי, כמו הפיכת כנף ותפיסת מערבולות קצות הכנף של עצמו, אבל זה מחוץ לנושא הדיון.
ח. מסוק, או כל פרופלור לצורך העניין, משתמש בעיקרון הכנף הסובבת. כמו כנף מטוס אבל עם מהירות משתנה לאורך המוטה ולכן גם זווית התקנה הולכת וקטנה מהמרכז והחוצה. פחות רלוונטי למקרה שלנו.
ט. במטוס היום הולכים ונעלמים “צופרי הזדקרות”, אלא יש קול נשי נעים שמודיע “Stall” או “Stall escape” אם מאופשר.
בנימין מאי
בדיוק.
ל Is
נראה לי שהזבוב מייצב עצמו באמצעות תנועת כנף מורכבת
שהיא הגורם המשתנה העיקרי במהירות זרימת האוויר על
הכנפיים וזווית ההתקפה ולא ויסות המהירות של הזבוב
עצמו (שזה בתמצות מה שניסים כתב, אם הבנתי נכון..).
ls
אני חושב שלא בדיוק. להבדיל ממטוס, כנפי זבוב נמצאים בתנועה (דומה למסוק). זבוב יכול גם לעוף אחורה. פרט לכך, עוד לא ראיתי זבוב טס ישרה ואופקית 🙂
כתבתי לא בדיוק, כי גם מסוק יכול להזדקר (למרות שבמקרה של מסוק ההזדקרות קורית דווקה במהירות גבוהה). כלומר – יכול להיות שיווצר מצב של הזדקרות בגלל משב פתאומי.
אני גם לא חושב שהזבוב אומר לעצמו – “וואלה, אני שומע צופר הזדקרות, צריך מייד להוריד אף כדי לא להזדקר!”. זה כמו שאנחנו לא חושבים על איזון כשאנחנו מניעים את הידיים בזמן הליכה או ריצה.
לא קשור לבריחה . הזבוב מנסה לשמור על מהירות אווירית קבועה כמו כל מטוס בטיסה ישרה ואופקית על מנת שלא להזדקר. כשהמשב בכיוון הטיסה הזבוב יגביר מהירות אחרת זוית ההתקפה של הכנף תעלה עד לניתוק זרימה ונפילה חופשית. ולהיפך בכיוון משב הפוך.
סביר שמדובר ברפלקס הישרדותי
הגורם לזבובים להאיץ או להאט (בדרך ההפוכה
לעוצמת הרוח) תחילה עם משב רוח פתאומי
כדי להתרחק מטורף (או יד שעלולה למחוץ אותם)
ורק לאחר מכן מייצבים את מהירותם.
מר דובי בנימיני,פיתח רובוט מעופף ,כשהמודל שלו הוא הפרפר.יתרונו של הפרפר הוא בניצול אנרגיה באופן יעיל וחסכוני.