कीट उड़ान संगत मॉडलिंग

Talking Point
डॉ मोनिका रघुवंशी 
सचिव, भारत की राष्ट्रीय युवा संसद, पी.एच.डी. (हरित विपणन), बिजनेस एडमिनिस्ट्रेशन में मास्टर, 220 अंतर्राष्ट्रीय और राष्ट्रीय सम्मेलन और वेबिनार, 50 राष्ट्रीय पत्रिका लेख प्रकाशित, 13 राष्ट्रीय पुरस्कार, सूचना प्रौद्योगिकी में प्रमाणित, उपभोक्ता संरक्षण में प्रमाणित, फ्रेंच मूल में प्रमाणित, कंप्यूटर और ओरेकल में प्रमाणपत्र
भौतिकविदों और जीव विज्ञानियों को कीड़ों की उड़ान में एक सदी से भी ज्यादा समय से दिलचस्पी रही है। फिर भी, हाल ही तक, शोधकर्ता फड़फड़ाते कीड़ों के जटिल पंखों की हरकतों को ध्यान से मापने या उनके पंखों के इर्द-गिर्द मौजूद बलों और प्रवाहों को मापने में सक्षम नहीं थे। हालाँकि, अत्यधिक वेग वाली वीडियोग्राफी और कम्प्यूटेशनल और मैकेनिकल मॉडलिंग के लिए उपकरणों में नवीनतम प्रवृत्तियों ने शोधकर्ताओं को कीट उड़ान के बारे में जानकारी को आगे बढ़ाने में तेजी से विकास करने में मदद दी है। 
माइक्रो-रोबोट बग बनाने के लिए प्रेरणा
इन यांत्रिक और कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशील वर्तमान ग्लाइड विजुअलाइजेशन तकनीकों से पाया है कि फ्लैपिंग फ्लाइट के अंतर्निहित द्रव गतिशील घटनाएँ उड़ने का काम करती हैं। 2-डी पंखों से अनुमान लगाया जा सकता है पंख के माध्यम से उत्पन्न बलों से कीड़े मंडराने या पैंतरेबाजी करने के लिए सक्षम होते हैं। घटना विज्ञान के लिए एक स्पष्टीकरण प्रदान करने की कोशिश कर रहे हैं, जीवविज्ञानी कीट शरीर संरचना और विकास के लिए इसकी प्रासंगिकता को समझने की कोशिश कर रहे हैं, और इंजीनियर इन मानकों का उपयोग करके माइक्रो-रोबोट बग बनाने के लिए प्रेरित हैं। यह मूल्यांकन कीड़ों में फड़फड़ाती उड़ान के अंतर्निहित मौलिक शारीरिक मानकों, कीट उड़ान के वायुगतिकी के बारे में नवीनतम प्रयोगों के परिणामों के साथ-साथ उन घटनाओं को संस्करणित करने के लिए उपयोग की जाने वाली विशिष्ट विधियों को शामिल करता है।
सम्मोहक उदाहरणों में से एक
कीटों की विकासात्मक उपलब्धियों में उड़ान का बहुत बड़ा योगदान है। अपने उड़ानहीन पूर्वजों की तुलना में, उड़ने वाले कीड़े शिकारियों से बचने, भोजन की तलाश करने और नए आवासों को बसाने के लिए बेहतर तरीके से तैयार होते हैं। उनका अस्तित्व और विकास उड़ान प्रदर्शन पर बहुत महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करता है, इसलिए कीड़ों की उड़ान से जुड़ी संवेदी, शारीरिक, व्यवहारिक और बायोमैकेनिकल प्रवृत्तियाँ प्रकृति में पाई जाने वाली विविधताओं के सबसे सम्मोहक उदाहरणों में से एक हैं। नतीजतन, कीड़े जीवविज्ञानियों को कई तरह के लाभकारी उदाहरण प्रदान करते हैं। जीव के डिजाइन में संरचना-विशेषता संबंधों और विकासवादी बाधाओं को स्पष्ट करने के लिए (ब्रोडस्की, 1994ः डुडले, 2000)। कीटों ने भौतिकविदों और इंजीनियरों के बीच भी बहुत रुचि पैदा की है, क्योंकि पहली नजर में, लोकप्रिय वायुगतिकीय सिद्धांत के उपयोग से उनकी उड़ान अविश्वसनीय लगती है। छोटा आकार, अत्यधिक स्ट्रोक आवृत्ति और अजीब पारस्परिक से कीड़ों की फड़फड़ाती हुई हरकतों ने उड़ान वायुगतिकी के सरल कारकों को विफल करने के लिए रोमांचित किया है। जीव विज्ञान के कई मुद्दों की तरह, कीट उड़ान की गहन जानकारी विसरित जानकारी पर निर्भर करती है जो संभवतः किसी अन्य मामले में गहन सैद्धांतिक या प्रायोगिक विश्लेषण में आसानी से छूट जाती है। 
उड़ान वायुगतिकी में व्यापक विकास
हालाँकि, हाल के वर्षों में, जांचकर्ताओं को विंग कीनेमेटीक्स को शूट करने के लिए उच्च गति वाले वीडियो की आपूर्ति, प्रवाह को मापने के लिए वर्चुअल पार्टिकल फोटोग्राफ वेलोसिमेट्री (क्च्प्ट) सहित नई रणनीतियों और सिमुलेशन और विश्लेषण के लिए प्रभावी कंप्यूटर सिस्टम से काफी लाभ हुआ है। उन और अन्य नई रणनीतियों का उपयोग करके, शोधकर्ता कीट उड़ान के अधिक कठोर मॉडल बनाने के लिए कम सरल धारणाओं के साथ जारी रख सकते हैं। यह कीनेमेटीक्स, बलों और प्रवाह का अतिरिक्त विशिष्ट दृष्टिकोण है जिसने कीट उड़ान वायुगतिकी की जानकारी में व्यापक विकास किया है।
दूर-विषय के मूल्यांकन
कीट उड़ान के विश्लेषणात्मक मॉडल में संदर्भित प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक चुनौतियों ने कीट उड़ान के शुरुआती मॉडलों को तरल घटना के बजाय दूर-विषय जागों के मूल्यांकन तक सीमित कर दिया। पंख की तात्कालिक स्थिति में हालाँकि इस तरह के दूर-विषय के मॉडल का उपयोग एयरफॉइल पर अस्थिर बलों की गणना करने के लिए नहीं किया जा सकता था, लेकिन उन्होंने ताकत की आवश्यकताओं के अलावा सामान्य बलों को चिह्नित करने की समान इच्छा प्रदान की। उनमें से सबसे शानदार ‘भंवर मॉडल (एलिंगटन, 1978, 1980, 1984य रेनर, 1979 ए, बी) हैं, जिनमें से प्रत्येक को एक प्रोपेलर के ब्लेड के लिए फड़फड़ाते पंखों का अनुमान लगाने या, अधिक सटीक रूप से, आदर्श एक्ट्यूएटर डिस्क के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है जो आसपास के तरल पदार्थ को नीचे की ओर गति प्रदान करने के लिए समान तनाव दालों को उत्पन्न करते हैं। इस विधि से, नीचे की ओर जेट के भीतर गति प्रवाह के परिवर्तन की दर को कीट के भार के साथ बराबर करके और इस प्रकार गणना करके मंडराने के लिए आवश्यक सुझाव का अनुमान लगाया जा सकता है। इस दबाव संतुलन को बनाए रखने के लिए वेक के भीतर आवश्यक परिसंचरण सिद्धांतों का एक अलग विवरण रावनर (1979ं.इ) और एलिंगटन (1984म) में दिखाई देता है और यह इस समीक्षा के दायरे से परे है, जो निकट-विषय मॉडल के बजाय चेतना का एक अच्छा तरीका है।
कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी
कम्प्यूटेशनल तकनीकों में नवीनतम प्रगति के साथ, कई शोधकर्ताओं ने कीट उड़ान की समस्या को हल करने के लिए संख्यात्मक तकनीकों की खोज शुरू कर दी है, जिसमें सफलता की विभिन्न सीमाएँ हैं। हालाँकि अंततः वे रणनीतियाँ सरलीकृत विश्लेषणात्मक समाधानों की तुलना में अधिक कठोर हैं, लेकिन उन्हें बड़े पैमाने पर कम्प्यूटेशनल संपत्तियों की आवश्यकता होती है और उन्हें बड़े पैमाने पर तुलनात्मक सांख्यिकी सेटों पर आसानी से लागू नहीं किया जाता है। इसके अलावा, ब्थ्क् सिमुलेशन सत्यापन और लागू कीनेमेटिक इनपुट दोनों के लिए अनुभवजन्य सांख्यिकी पर गंभीरता से निर्भर करते हैं। फिर भी, वर्तमान में कई सहयोग सामने आए हैं, जिन्होंने कीट उड़ान के कुछ रोमांचक ब्थ्क् मॉडल का निर्माण किया है। ऐसी ही एक विधि अस्थिर वायुगतिकीय पैनल दृष्टिकोण (स्मिथ एट अल., 1996) का उपयोग करके हॉकमॉथ मंडुका सेक्स्टा की उड़ान का मॉडलिंग करने से संबंधित थी, जो उपयुक्त सीमा स्थितियों के तहत एक विखंडित पंख के प्रत्येक पैनल पर वेग और तनाव की गणना करने के लिए क्षमता एफ लो दृष्टिकोण का उपयोग करती है। मंडुका को एक मॉडल के रूप में उपयोग करने के अलावा, लियू और सहकर्मी एक ‘परिमित मात्रा दृष्टिकोण’ (लियू एट अल., 1998य लियू और कावाची, 1998) का उपयोग करके एक पूर्ण नेवियर-स्टोक्स सिमुलेशन का प्रयास करने वाले पहले व्यक्ति थे।
कीट उड़ान अर्ध-संगत मॉडलिंग
कीट उड़ान समस्या के अनुमानित विश्लेषणात्मक उत्तरों को खोजने की इच्छा में, वैज्ञानिकों ने मुख्य रूप से अर्ध-संगत अनुमानों पर आधारित सरलीकृत मॉडल विकसित किए हैं। अर्ध-संगत धारणा के अनुसार, एक फड़फड़ाते पंख पर तत्काल वायुगतिकीय बल, एक समान तत्काल गति और हमले के रुख पर पंख की लगातार गति के दौरान बलों के समान होते हैं (एलिंगटन, 1984ं)। इसलिए किसी भी गतिशील गतिज नमूने को स्थिर स्थितियों, डिग्री के अनुक्रम में विभाजित करना या प्रत्येक के लिए दबाव की गणना करना और परिणामस्वरूप दबाव उत्पादन के समय रिकॉर्ड का पुनर्निर्माण करना संभव है। इस विधि से, वायुगतिकीय बलों की किसी भी समय निर्भरता गतिज विज्ञान की समय निर्भरता से उत्पन्न होती है, लेकिन तरल प्रवाह की नहीं। यदि ऐसे मॉडल सटीक हैं, तो कीट पंखों पर वायुगतिकीय बलों की गणना करने के लिए समीकरणों के एक विशेष रूप से आसान सेट को लागू करना संभव हो सकता है, जो मुख्य रूप से उनकी गतिज विज्ञान में जानकारी पर आधारित है। यद्यपि अतीत में सीमित सफलता के साथ अर्ध-संगत मॉडलों का उपयोग किया गया था (ओसबोर्न, 1950य जेन्सेन, 1956), वे आम तौर पर उन मामलों में महत्वपूर्ण औसत वहन करने के लिए अपर्याप्त माने जाते थे जहां सामान्य उड़ान दबाव की जानकारी उपलब्ध होती है।
वैगनर प्रभाव
कीट उड़ान में अस्थिर तंत्र वैगनर प्रभाव जब होता है, एक इच्छुक पंख आराम से जल्दी से घूमना शुरू करता है, तो उसके चारों ओर का प्रवाह सीधे स्थिर अवस्था मान को प्राप्त नहीं करता है (वॉकर, 1931)। इसके बजाय, प्रवाह धीरे-धीरे स्थिर-देश अनुमान तक बढ़ता है। स्थिर-देश मान प्राप्त करने में यह देरी भी घटनाओं के मिश्रण से हो सकती है। सबसे पहले, स्थिरता कारक पर चिपचिप आंदोलन के भीतर अंतर्निहित विलंबता हो सकती है और तदनुसार कुट्टा स्थिति की यथास्थिति से पहले एक सीमित समय हो सकता है। दूसरा, इस प्रक्रिया के कुछ चरण में, भंवर उत्पन्न होता है और पीछे की ओर बहता है, और बहता भंवर अंततः एक शुरुआती भंवर के आकार में लुढ़क जाता है। पंख के क्षेत्र में गति विषय पीछे की ओर बहते भंवर की सहायता से अवक्षेपित होता है और पंख को सुनिश्चित परिसंचरण की वृद्धि का प्रतिकार करता है। प्रारंभिक भंवर के पीछे की ओर से काफी दूर चले जाने के बाद, पंख अपने सबसे स्थिर परिसंचरण को प्राप्त करता है। परिसंचरण के सुधार के भीतर यह सुस्ती पहली बार वैगनर (1925) द्वारा प्रस्तावित की गई थी और वॉकर (1931) द्वारा प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन किया गया था और इसे अक्सर वैगनर प्रभाव कहा जाता है, वैगनर प्रभाव एक ऐसी घटना है जो सुस्ती कम करने के लिए कार्य कर सकती है।
द्रव प्रवाह
विलंबित ठहराव और मुख्य क्षेत्र भंवर जैसे-जैसे पंख अपने हमले के रुख को बढ़ाएगा, पंख के ऊपर से गुजरने वाला द्रव प्रवाह मुख्य क्षेत्र को पार करते ही अलग हो जाता है, लेकिन पीछे के क्षेत्र तक पहुँचने से पहले फिर से जुड़ जाता है। ऐसे मामलों में, एक मुख्य क्षेत्र भंवर पंख के ऊपर अलगाव क्षेत्र पर कब्जा कर लेता है। जैसे-जैसे फ्लोट फिर से जुड़ता है, द्रव पीछे के क्षेत्र से आसानी से तैरता रहता है और कुट्टा परिस्थिति बनी रहती है। इस मामले में, चूँकि पंख हमले के उच्च रुख पर व्याख्या करता है, इसलिए द्रव को अधिक नीचे की ओर गति प्रदान की जाती है, जिसके परिणामस्वरूप उत्थान में व्यापक वृद्धि होती है। पिछले 10 वर्षों में प्रायोगिक प्रमाण और कम्प्यूटेशनल शोध ने मुख्य क्षेत्र भंवर को कीट पंखों के माध्यम से बनाए गए प्रवाह की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता और परिणामस्वरूप उनके द्वारा बनाए गए बलों के रूप में पहचाना है। पोलहामस (1971) ने मुख्य क्षेत्र भंवर के माध्यम से उत्थान में वृद्धि के लिए एक सरल तरीका परिभाषित किया जो एक स्पष्ट मात्रात्मक विश्लेषण की अनुमति देता है। कुंद एयरफॉइल के लिए, मुख्य क्षेत्र में हवा की गति तेजी से होती है, जिसके परिणामस्वरूप विंग कॉर्ड के समानांतर मुख्य क्षेत्र चूषण दबाव होता है। यह अधिक दबाव तत्व क्षमता दबाव तत्व (जो विंग प्लेन के लिए सामान्य रूप से कार्य करता है) प्रदान करता है।
क्रेमर प्रभाव (घूर्णी बल)
प्रत्येक स्ट्रोक के अंत के निकट, कीट के पंख एक स्पैनवाइज अक्ष के चारों ओर बड़े प्रोनेशन और सुपिनेशन से गुजरते हैं, जो उन्हें हमले का एक अच्छा दृष्टिकोण रखने और प्रत्येक आगे और विपरीत स्ट्रोक के दौरान उठाने की अनुमति देता है। इसके अलावा, बंधे हुए (डिकिंसन एट अल., 1993) और मुक्त (स्रीगली और थॉमस, 2002) प्रकाश से कुछ सबूत हैं कि कीड़े उड़ान युद्धाभ्यास के दौरान रोटेशन के समय को नियंत्रित करते हैं। फ्लैपिंग उड़ान के लिए इन घुमावों के वायुगतिकीय महत्व का अध्ययन बेनेट (1970) द्वारा किया गया है, और हाल ही में सैन और डिकिंसन (2002) द्वारा विस्तार से किया गया है, हालांकि यह मंक (1925बी), ग्लौर्ट (1929), थियोडोरसन (1935), फंग (1969) के पूर्ण-आकार के सैद्धांतिक चित्रों और क्रेमर (1932), रीड (1927), फैरेन (1935), गैरिक (1937), सिल्वरस्टीन और जॉयनर (1939) और हाफमैन (1951) के सहायक प्रयोगात्मक प्रमाणों के कारण फ्लटरिंग विमान पंखों के संदर्भ में वायुगतिकीय साहित्य में व्यापक रूप से जाना जाता है। जोड़ा गया द्रव्यमान पिछले खंड के भीतर परिभाषित सभी बल परिसंचरण बलों की सुंदरता से संबंधित हैं क्योंकि उनके आंदोलन को पंख में गति क्षमता के भीतर समायोजन की गणना के माध्यम से गणितीय रूप से परिभाषित किया जा सकता है। जैसा कि पहले परिभाषित किया गया है, हमले के एक स्थिर रुख पर एक इच्छुक पंख वायुगतिकीय बलों की स्थिति है जिसे व्यापक क्षमता सिद्धांत का उपयोग करके पंख में धारा के लिए लेखांकन के माध्यम से पूरी तरह से मॉडल किया जा सकता है। मुख्य भाग पृथक्करण सहित अन्य परिणामों को भी समान दृष्टिकोण के एक संस्करण के माध्यम से मॉडल किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, मिनोटी, 2002 देखें)। हालाँकि, जब पंख तेज होता है, तो यह बढ़े हुए द्रव के कारण प्रतिक्रिया दबाव का सामना करता है। यह प्रतिक्रियाशील गैर-परिसंचारी दबाव (सेडोव, 1965) सामान्य प्रवाह-आधारित स्थिर-स्थिति विश्लेषण की दुनिया से बाहर है और इसे जैविक साहित्य में ‘प्रस्तुत द्रव्यमान’ (वोगेल, 1994), ‘प्रस्तुत द्रव्यमान जड़त्व’ (सेन और डिकिंसन, 2001), ‘त्वरण प्रतिक्रिया’ (डैनियल, 1984य डेनी, 1993) या ‘डिजिटल द्रव्यमान’ (एलिंगटन, 1984 बी) कहा जाता है। चूँकि ये बल आम तौर पर परिसंचरण बलों के समान ही उत्पन्न होते हैं, इसलिए उन्हें अलग-अलग स्तर पर मापना भी मुश्किल है।
विंग-वेक इंटरैक्शन २ध्3डी मैकेनिकल संस्करण
विंग-वेक इंटरैक्शन बग द्वारा उपयोग किए जाने वाले विंग मूवमेंट के पारस्परिक नमूने से पता चलता है कि उनके पंख संभवतः पिछले स्ट्रोक की शेड वोर्टिसिटी के साथ जुड़ सकते हैं। इस तरह की बातचीत से विशाल बल उत्पन्न हो सकते हैं, यह पहली बार एक इच्छुक प्लेट पर 2-डी मूवमेंट के दौरान पाया गया (डिकिंसन, 1994)। एक समान घटना को फल मक्खी के 3डी मैकेनिकल संस्करण पर प्रत्येक दबाव माप और ग्लाइड विजुअलाइजेशन के साथ भी पाया गया (डिकिंसन एट अल., 1999)। जैसे ही पंख स्ट्रोक को उलटता है यह मुख्य और पीछे के क्षेत्र के भंवरों को छोड़ देता है। ये शेड वोर्टिस एक मजबूत इंटरवोर्टेक्स गति क्षेत्र में परिणत होते हैं, जिसका महत्व और अभिविन्यास 2 वोर्टिस की ऊर्जा और भूमिका के माध्यम से नियंत्रित होता है। जैसे ही पंख दिशा बदलता है, उसे बेहतर गति और त्वरण क्षेत्र का सामना करना पड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप स्ट्रोक रिवर्सल के बाद बेहतर वायुगतिकीय बल उत्पन्न होते हैं। इस घटना को इसके बजाय ‘वेक कैप्चर’ या, अधिक सटीक रूप से, विंग-वेक इंटरैक्शन कहा जाता है।