Vogel gaf vliegtuig coole vleugels, en nog efficiënte ook


Foto: www.youwall.com

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Mensen hebben altijd gedroomd om te vliegen als een vogel. Helaas zijn wij daartoe niet in staat. Daar zijn diverse oorzaken voor, zoals een gebrek aan vleugels. Ook zijn onze borstspieren niet sterk genoeg. Als we onze armen uitrusten met kunstmatige vleugels kunnen we flapperen wat we willen, maar we zullen nooit naar de hemel opstijgen. Velen hebben dat op pijnlijke wijze ondervonden of kunnen hun hopeloze poging zelfs helemaal niet navertellen.

Ook Leonardo da Vinci was al tot deze conclusie gekomen doordat hij autopsie pleegde op zowel vogels als mensen. Daarom bouwde hij een ornitopter, die zowel met armen als met benen aangedreven kon worden. Helaas werkte het niet zoals gepland. De vliegspieren van een vogel maken tot wel de helft van zijn lichaamsgewicht uit, terwijl de gezamenlijke spieren van onze armen en benen niet verder komen dan 25 procent.

Toch wordt Leonardo da Vinci gezien als de eerste bionicus. Hij zette zichzelf ‘de vliegende mens’ tot doel, bestudeerde de natuurlijke voorbeelden en vertaalde dat naar een stuk techniek. Het idee was goed, maar het kwam helaas niet tot de juiste uitwerking. Huidige vliegtuigen zijn niet afgeleid van klapwiekende, maar van zwevende vogels die hun uitgestrekte vleugels stilhouden.

Wel leefden Leonardo’s ideeën voort en inspireerden velen totdat de gebroeders Wright in 1903 de eerste geslaagde vlucht maakten. Ook zij keken voor inspiratie naar vogels en Orville Wright zou hebben gezegd dat ‘leren vliegen van een vogel, is als leren toveren van een tovenaar’. Sinds die tijd hebben vliegtuigen zich enorm ontwikkeld, maar er blijft altijd wat te verbeteren.

Vliegtuigen en vogels genereren liftkracht doordat de druk onder de vleugel groter is dan erboven. Als gevolg hiervan verplaatst aan de vleugeltip de lucht zich van onder de vleugel naar boven de vleugel. Hierdoor ontstaan sterke wervelingen die voor meer luchtweerstand zorgen.

De ‘klassieke’ manier om minder last te hebben van dit type weerstand is het verhogen van het aspect ratio, de verhouding tussen de spanwijdte en de gemiddelde breedte van de vleugels. Dat zou resulteren in lange smalle vleugels zoals bij zweefvliegtuigen. Bij de veel grotere, robuustere en zwaardere passagiersvliegtuigen leidt een dergelijke oplossingen ook tot nadelen. Denk aan de constructie, toename van gewicht en andere vormen van weerstand (vorm- en wrijvingsweerstand). Bovendien stuiten lange vleugels op praktische bezwaren bij de gates van vliegvelden.

De oplossing om de weerstand te reduceren, kwam wederom van vogels, zoals ooievaars, arenden en gieren. Deze vogels proberen zo ‘lui’ mogelijk te zijn door zo min mogelijk met hun vleugels te flapperen, een energie-intensieve activiteit. Zij gebruiken de stijgende lucht in thermiekbellen om hoogte te winnen en vervolgens naar de volgende thermiekbel te zweven.

Zo kunnen ze enorme afstanden afleggen zonder veel inspanning. Maar ook zij hebben last van tipwervelingen en ook voor hen zijn lange vleugels erg onhandig. In plaats daarvan hebben ze aan hun vleugeltippen slagpennen (veren), die worden uitgespreid en naar boven toe gekruld. Dit zorgt effectief voor een hogere aspect ratio en beperkt zo de hinder die een vliegtuig van de tipwervels ondervindt.

Naar analogie daarvan zijn inmiddels vele passagiersvliegtuigen uitgerust met ‘winglets’ in allerlei vormen en maten. Niet alleen levert dit een brandstofbesparing op, vliegtuigen met wing-lets kunnen ook op grotere hoogte vliegen, hebben een korte startbaan nodig en kunnen meer vracht meenemen. Bovendien ziet het er ook heel cool uit.


Foto: Aviation


Foto: NASA Langley Research Center

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Zoals het bovenstaande plaatje aangeeft zijn er winglets in diverse vormen. Soms spreekt men niet over winglets, maar over sharklets, zoals de vliegtuigbouwer Airbus. Wellicht omdat winglets doen denken aan de rugvin van een haai?

Dat is wat verwarrend omdat de term sharklets ook wordt gebruikt voor de gegroefde ‘schubben’ van een haai. Deze structuren vormen op zich ook weer inspiratie voor onder andere vliegtuigen, zie de column Haaienpak geen doping maar technisch placebo.

Ook aan winglets valt nog van alles te verbeteren, bijvoorbeeld de stand van de winglet tijdens de vlucht veranderen. Deze ‘morphing winglet’ geeft gedurende alle fasen van een vlucht het optimale effect.

In deze video van een vale gier zijn de gekrulde veren waarop de winglets zijn gebaseerd goed te zien. Spectaculaire beelden van allerlei patronen in de lucht, gecreëerd door vliegtuigen, zijn op de website van de Daily mail te zien.

Voor wie meer wil weten over allerlei aspecten van het vliegen is de informatieve website van Gary Ritchison een aanrader (gemaakt ter ondersteuning van zijn lessen).


Foto: De natuur als uitvinder

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 27 november 2015

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84