Asas das libélulas tornam asas dos aviões 25% mais fortes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/09/2023

Construir máquinas inspiradas na natureza não é tão simples quanto copiar e colar.
[Imagem: Wiley-VCH/Hao Zheng et al. - 10.1002/advs.202370111]

Estática gráfica

A natureza sempre foi fonte de inspiração para projetistas, engenheiros e cientistas. Por exemplo, quando tentamos projetar melhores aviões e drones, pássaros e insetos são referências naturais.

Acontece que os sistemas estruturais na natureza estão em constante evolução, para se otimizarem às suas condições; e essa otimização segue certas regras de "projeto" que são bastante difíceis para um ser humano compreender ou mesmo formular.

Hao Zheng e colegas da Universidade Estadual da Pensilvânia, nos EUA, acreditam ter encontrado um método ideal para avançar a compreensão desses sistemas naturais e, por decorrência, tirar proveito deles.

A ferramenta é a estática gráfica, um método de análise estrutural que utiliza gráficos para determinar as forças e as tensões em uma estrutura.

Desenvolvida no século 17 pelo italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822), a técnica se baseia no princípio do equilíbrio estático, que afirma que a soma de todas as forças que atuam sobre um corpo deve ser igual a zero.

Várias estruturas de asas avaliadas pela equipe usando seu método gráfico.
[Imagem: Hao Zheng et al. - 10.1002/advs.202370111]

Geometria da asa da libélula

Para testar a técnica, Zheng se voltou para as asas das libélulas, um exemplo de estrutura leve e de alto desempenho que tem desafiado muitos pesquisadores que tentam investigar sua geometria e seu desempenho. É uma das estruturas mais leves projetadas pela natureza, mas apresenta uma rigidez e um contorno definido que as tornam muito diferentes das asas dos pássaros.

Existem extensos estudos geométricos e analíticos sobre o padrão da asa da libélula, mas a lógica subjacente desse projeto da natureza não é clara. A geometria dos membros internos das asas da libélula consiste principalmente em células convexas que parecem representar em um plano 2D uma estrutura conhecida como rede somente de compressão; no entanto, esta propriedade nunca foi analisada geometricamente sob esta perspectiva para confirmar a hipótese.

"Nesta pesquisa, nós utilizamos os métodos da estática gráfica 2D para construir o diagrama de forças a partir da geometria estrutural da asa. Usamos métodos algébricos e iterativos para relatar as propriedades topológicas e geométricas dos diagramas de forma e de força, como os graus de indeterminações da rede. Para amostras de asas, separamos as arestas internas e as bordas, construímos o diagrama de forças e, finalmente, reconstruímos as formas estruturais," detalhou a equipe.

Estrutura construída para testes e avaliações.
[Imagem: Hao Zheng et al. - 10.1002/advs.202370111]

Asa de avião 25% melhor

A compreensão não se fez esperar: A comparação da magnitude das forças da rede reconstruída com a estrutura real da asa trouxe informações suficientes para reproduzir a geometria do sistema estrutural natural, o que deverá ter uso em muitos problemas científicos e de engenharia.

Como exemplo, a equipe sugere usar o esqueleto de asa de libélula para desenvolver uma estrutura interna de uma asa de avião. Os testes experimentais e numéricos que eles realizaram indicam que será possível obter melhorias de até 25% na rigidez fora do plano da asa.

"Em última análise, isso também nos ajudará a compreender os parâmetros de projeto e as condições limite para os quais a natureza produz as suas obras-primas," escreveram os pesquisadores.

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