Kredit: Mark Cutkosky/Stanford University
9. až 13. května se v čínské Šanghaji konala velká mezinárodní konference o robotice a automatizaci ICRA 2011 (International Conference on Robotics and Automation). Toto zejména pro kluky každého věku nesmírně zajímavé téma spojuje vážnou vědu, techniku, elektroniku s kreativní hrou. Současní roboti a současné roboty dokážou už ledacos. Třeba se i pohybovat po kolmých rovných plochách z různých materiálů. Některé se snaží konkurovat gekonům a nespadnout ani ze stropu. Fyzikálních principů, které jim to umožňují, je několik. Jak byste takový úkol řešili vy?
Existují již speciální, husté krátké vlásky na pacičkách gekonů připomínající přilnavé povrchy, které fungují na principu elektrostatických sil (poslední video pod článkem). Přírodu jsme v tomto směru zatím nedoběhli, směr se však zdá být nadějný, i když má své limity. I různé přísavky využívající podtlak slabého vakua by se daly použít, ale ani ony nenabízejí universální řešení pro každý povrch. Existuje také opačná možnost jak zajistit dostatečnou přilnavost k povrchu – vzduch neodsávat, nevytlačovat, ale vhánět. Pokus na následujícím několikasekundovém videu napoví a připomene jeden ze základních fyzikálních poznatků:
Zrychlené proudění nestlačitelné kapaliny a za jistých podmínek i stlačitelného plynu má za následek snížení tlaku. Je to jeden z projevů zákona zachování energie. Umožňuje letadlům létat a malému robotu zrozenému v laboratoři na novozélandské Universitě v Canterbury jezdit po kolmých rovných plochách ze skla, kovu, dřeva nebo pokrytých kachličkami či tkaninou. Nedělají mu přitom problém spáry a mezery například na dvoukřídlových dveřích:
To co malému zařízení na dvou kolečkách umožňuje překonávat gravitaci a drží ho na zdi, je podtlak vytvořený vzduchem proudícím nadzvukovou rychlostí z velmi úzkého kruhového otvoru na spodní straně dvou přísavných kotoučků. Jsou upevněny v přední a zadní části robota, na ose kolmé k nápravě dvou koleček, pomocí kterých se pohybuje. Pod oběma přísavkami fouká z kruhové dýzy vzduch nadzvukovou rychlostí Mach 3, což při nulové nadmořské výšce odpovídá rychlosti asi 1 021 m/s. To vytváří vztlakovou sílu táhnoucí podložku k přísavkám. Ty se samozřejmě podkladu nedotýkají, ale vznášejí se 25 mikrometrů (tisícin milimetrů) nad ní.
| Základní princip přítlačného kotoučku vytvářejícího podtlak na základě Bernoulliho principu. |
Konstrukce přítlačného kotoučku. |
Jestli prototyp předváděný novozélandským týmem na konferenci ICRA 2011 je stejný jako ten, který popisuje odborný článek z roku 2008, pak když je kruhová regulovatelná dýza s průměrem 6 mm v spodní části přísavného kotouče nastavená na šířku otvoru 0,1 mm, při spotřebě okolo 52 litrů vzduchu za minutu vháněného pod tlakem 5 atmosfér má vznikající přítlačná síla na hladkém skleněném povrchu hodnotu až 12 Newtonů. Za těchto podmínek je 234gramový robot schopný se pohybovat i s další půlkilogramovou zátěží. Podle autorů systém bezkontaktních přísavek využívajících Bernoulliho princip je v porovnání s jinými testovanými způsoby zajištění dostatečné přítlačné síly na kolmých plochách ten nejefektivnější.
Video: Robotický gekon z roku 2006
Zdroje: ICRA 2011, stránka IEEE , odborný článek
Diskuze:
Křídlo a vztlak
Petr Kočárník,2011-05-26 19:46:10
Coandova jevu (CJ) při vytváření vztlaku křídla se využívá pouze jako speciálního prostředku pro zvýšení vztlaku, tj. spadá do stejné kategorie jako klapky a sloty. Jindy ostrá odtoková hrana křídla je nahrazena kruhovým obloukem,na který se z horní sací strany křídla v tečném směru vyfukuje vzduch z kompresoru turbomotoru. Je to velmi účinné,vztlak se zvýší třeba i 10x (tříjsegmentová klapka se slotem na náběžné hraně zvýší vztlak "jen" 3-4x). Má to praktické využití téměř výhradně u vojenských letadel. Další využití CJ je u některých letadel s kolmým startem, kdy dojde k změně směru proudění za tryskou turbíny. Na vytváření vztlaku normálního leteckého profilu či křídla se CJ ani náhodou nepodílí.
Teorie vztlaku na křídle jsou postaveny na existenci tzv. nosného víru, který upravuje rychlost proudění podél dolní a horní strany, což podle Bernoulliho rovnice (BR) vede k vzniku vztlaku. Teoretická konstrukce nosného víru umožňuje uvést do souvislosti velikost vztlaku a klopivého momentu s tvarem profilu a křídla, úhlem náběhu, rychlostí atd. Je to značně komplikovaná problematika. Ovšem tvrdit, že na křídle existuje ještě nějaký jiný mechanismus pro vytváření vztlaku krom rozdílu tlaku, vznikajícímu díky rozdílu rychlostí na horní a dolní straně (což se zjednodušeně spočte pomocí BR), je značně odvážné.
Jiri Cerny,2011-05-26 11:20:12
Slo o to, ze elektrostatika evokuje predevsim Coulombovu interakci, ktera tam prave zadnou roli nehraje. Ze se pod elektrostaticke interakce daji zahrnout i interakce multipolu, at uz permanentnich nebo indukovanych a kvantovych fluktuaci (docasnych) je ale samozrejme pravda. Presto je zrejme lepsi napsat bud Van der Waals, nebo jeste lepe jen Debye a London. To jestli skutecne prevazuje London nad Debye zalezi na molekularni strukture proteinu na nozce, konkretne mnozstvi a charakteru sidechainu na interagujicim povrchu (sekvenci natoz strukturu jsem ale na uniprotu nenasel - ze by je zatim nikdo nesekvenoval? - podle vysledku v PNAS ale nejspis pujde prave o nepolarni residua). Pokud jde o Londonovskou disperzi, prave velmi zalezi na "materialu" povrchu. Disperzni koeficient je preci jen maskovana polarizabilita, takze tim teflonem jen neprimo potvrzujete, ze rozhodujici je prave Debye/London. Ten kratky komentar nemela byt nejaka kritika, jen upresneni.
Let lietadla
Elek Oskar,2011-05-25 19:00:21
Tiez by som mal male upresnenie, tentokrat tykajuce sa priciny letu lietadla. Bernoulliho princip je v skutocnosti iba jednym z mechanizmov, ktore drzia lietadlo vo vzduchu; dalsie dva su:
- sklon kridel tak, aby spodna cast kridla tlacila vzduch smerom dole, produkujuc vytlak (tak lietaju aj papierove lietadielka)
- Coanda efekt, ktory vdaka prilnavosti tekutin a zaoblenej hornej strane kridla tlaci vzduch na zadnej hrane kridla smerom dole (skuste sa lyzickou zboku dotknut prudu vody z kohutika)
Keby lietalda lietali len za pomoci Bernoulliho principu, aj lahke sportove lietadla by museli dosahovat vysoke stovky km/h, aby vyprodukovali dostatocny vstlak pre svoj let.
Dagmar Gregorova,2011-05-26 07:10:45
Ďakujem za upresnenie. A ešte by som dodala, že lietadlo - aj to bezmotorové - pomocou "nejakých síl" (najlepšie pomocou motoru vlastného alebo externého :) musí nabrať výšku a rýchlosť, aby sa Bernoulliho jav, účinok tvaru a sklonu krídel i Coandov efekt... mohli prejaviť...
Len neviem, ako ste na základe tejto jedinej vety, v ktorej sa lietadlá spomínajú:
(Bernoulliho princip) Umožňuje letadlům létat a malému robotu zrozenému v laboratoři na novozélandské Universitě v Canterbury jezdit po kolmých rovných plochách...
usúdili, že niekto považuje BP za jedinú postačujúcu podmienku pre let a prečo v článku o robotíkovi jazdiacom po stene Vám chýba kompletnejší princíp letu lietadiel.
Ale ak na túto tému chcete napísať článok, je to SUPER, Osel Vám poskytuje priestor. On totiž slúži na vzájomné sa obohacovanie poznatkami. Nie je to síce v dobe súčasnej veľmi "in", ale veď je to "osel"
:D
Elek Oskar,2011-05-26 12:51:35
Neberte ma v zlom, nechcel sa tahat za slovicka. Usudil som to na zaklade toho, ze ste napisala "Umoznuje letadlum letat..." - aspon na mne ta formulacia a slovo "umoznuje" evokovalo to, ze keby niet BP, tak lietadla nelietaju.
Na clanok o letovej fyzike to velmi nevidim, jedine, o com by som mal odborny mandat pisat, je realisticka synteza obrazu (aka rendering). O letovej fyzike som si hladal nejake zdroje, ked sme s kolegami programovali letecky simulator - a prekvapilo ma, kolko zdrojov uvadza BP ako jediny princip letu lietadiel; dokonca aj v skole nas to tak ucili (mna teda urcite). A kedze ako vravite, OSEL je o vzajomnom obohacovani sa poznatkami, tak mi prislo na mieste podelit sa s tymto poznatkom s ostatnymi, napriek kontextu clanku o robotoch lezucich po stene... :)
prilnavost gekonu
Jiri Cerny,2011-05-25 15:41:47
Mel bych malou poznamku, gekoni nevyuzivaji elektrostatiky (nozky urcite namaji elektricky naboj), ale Londonovu disperzni interakci. Jde sice o interakci dipolu, ale ne permanentnich, nybrz indukovanych fluktuaci naboje. Jde tedy o makroskopicky projev kvantovych jevu.
Dagmar Gregorova,2011-05-25 23:23:37
z teorie:
Interakce vyvolané disperzními silami (Londonovy)
- u nepolárních molekul – nejslabší mezimolekulové interakce
- rozložení elektronů není neměnné, tvoří se dočasné dipóly (krátkodobě), dlouhodobě se vyruší →nepolární molekula
- vzájemná interakce dočasných dipólů v souboru blízkých molekul je podstatou elektrostatických přitažlivých disperzních sil
-------------------------
Dočasné dipóly vznikají ve všech nepolárních molekulách - i neinteraktivních inertních plynů. Teoreticky Londonova síla tedy vzniká mezi všemi nepolárními molekulami bez ohledu na to, jestli jde o bílkoviny vlásků gekonových tlapek a molekuly různých povrchů po nichž běhá. Pak by ale bylo zcela jedno, z čeho tu strukturu na polštářcích prstíků má, muselo by to fungovat za každých okolností. Ale tomu tak asi není. Mnozí se spíše klaní k silnějším typům van der Waalsových sil, jiní je zcela zamítají. Ale jaké jiné síly, než elektrostatické (de facto) udrží gekona na stropě (když nejde o "lepidlo" :)?
Ne, nemusí mít "elektricky nabité" packy, stačí, aby molekuly bílkovin vlásků byly polární (což je zcela běžná věc) a ty budou při kontaktu indukovat dočasnou polarizaci molekul povrchů ploch, po kterých gekon běhá. Tuto představy podporuje i fakt, že má problém s teflonem, jehož molekuly jsou těžko polarizovatelné.
Ale jinak - jen pro upřesnění - věta v článku:
"Existují již speciální přilnavé povrchy připomínající husté krátké vlásky na pacičkách gekonů fungující na principu elektrostatických sil."
Chtěla říct, že ty umělé povrchy fungují na principu eletrostatických sil. OK, přeformuluji, aby to bylo jednoznačnější.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
