滑空中の猛禽類では、尾部からの高い空気力学的揚力が抗力を減少させる

High aerodynamic lift from the tail reduces drag in gliding raptors.

• James R Usherwood
• Jorn A Cheney
• Jialei Song
• Shane P Windsor
• Jonathan P J Stevenson
• Uwe Dierksheide
• Alex Nila
• Richard J Bomphrey

抄録

定常飛行中の尾翼の空力的役割については、多くの機能が提唱されている。従来の航空機との類推では、尾部が非常に低いまたは負の揚力を発生させた場合、尾部は受動的なピッチ安定性を提供する可能性がある。あるいは、航空学的な原理は、尾翼がインビスキッド、誘導抗力を低減することを可能にする戦略を提案するかもしれません：翼と尾翼が異なる水平面で作用する場合、それらは二枚板のような空気力学の恩恵を受けるかもしれません。しかし、鳥は非常に有能なセンシングと能動的な制御を持っており、おそらく受動的な空力的安定性への要求を減らしていると思われるため、教科書的な航空学的原則は注意して適用されるべきである。ここでは、滑空するオオミミズク、オオミミズク、オオタカの背後にある0.3mmの中性浮力シャボン玉を20,000個まで追跡することで、胴体と尾部による下降速度が翼による下降速度を一貫して上回っていることを発見しました。中心線後方で測定された下降流速度は、別の仮説と定量的に一致しています。それは、プランフォーム面積あたりの揚力生産量が一定であること、つまり、粘性のある翼抗力を最小化するために必要なことです。滑空する猛禽類は、粘性抗力を減少させる戦略を採用する代わりに、粘性抗力を減少させる戦略を採用していますが、これはレイノルズ数の低いフライヤーにとって比例して重要です。

Many functions have been postulated for the aerodynamic role of the avian tail during steady-state flight. By analogy with conventional aircraft, the tail might provide passive pitch stability if it produced very low or negative lift. Alternatively, aeronautical principles might suggest strategies that allow the tail to reduce inviscid, induced drag: if the wings and tail act in different horizontal planes, they might benefit from biplane-like aerodynamics; if they act in the same plane, lift from the tail might compensate for lift lost over the fuselage (body), reducing induced drag with a more even downwash profile. However, textbook aeronautical principles should be applied with caution because birds have highly capable sensing and active control, presumably reducing the demand for passive aerodynamic stability, and, because of their small size and low flight speeds, operate at Reynolds numbers two orders of magnitude below those of light aircraft. Here, by tracking up to 20,000, 0.3 mm neutrally buoyant soap bubbles behind a gliding barn owl, tawny owl and goshawk, we found that downwash velocity due to the body/tail consistently exceeds that due to the wings. The downwash measured behind the centreline is quantitatively consistent with an alternative hypothesis: that of constant lift production per planform area, a requirement for minimizing viscous, profile drag. Gliding raptors use lift distributions that compromise both inviscid induced drag minimization and static pitch stability, instead adopting a strategy that reduces the viscous drag, which is of proportionately greater importance to lower Reynolds number fliers.

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