Em formação

Mecânica do Falcão Peregrino Dive Pull Up

Mecânica do Falcão Peregrino Dive Pull Up


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Existem muitas informações sobre a rapidez do mergulho do Falcão-peregrino, mas além de ter pulmões, olhos especializados, etc ... para sobreviver ao mergulho.

Que mecânica ele usa para sair desse mergulho, especificamente depois de atingir sua presa.

Minha opinião é que ele usa seu impulso para voltar em forma de U, entenda que, ao mudar o ângulo de ataque, isso gera o arrasto e a sustentação necessários para sair do mergulho com segurança.

Minha pergunta é o quão eficaz é isso e pode um pássaro maior fazer isso assumindo que tem todos os ditos mecânicos?


Penas de falcão saltam durante o mergulho

Semelhante a asas e nadadeiras com abas auto-adaptáveis, as penas de um falcão peregrino em mergulho podem aparecer durante mergulhos em alta velocidade, de acordo com um estudo publicado em PLOS ONE em 5 de fevereiro de 2014 por Benjamin Ponitz do Instituto de Mecânica e Dinâmica de Fluidos da Alemanha e colegas.

Os falcões-peregrinos são uma das aves mais rápidas do mundo e podem atingir até 320 quilômetros por hora durante o mergulho. Os cientistas que estudam a forma do corpo e o contorno das asas dos pássaros querem entender melhor como eles alcançam essas altas velocidades de mergulho enquanto mantêm a capacidade de manobra. Os pesquisadores treinaram falcões peregrinos para mergulhar na frente de uma barragem de 60 metros, e os cientistas capturaram 35 mergulhos com um sistema de câmera estéreo de alta velocidade e câmera de alta resolução. As imagens permitiram aos pesquisadores reconstruir a trajetória de voo e a forma do corpo do falcão durante certas fases do voo, e construir um modelo em tamanho real dos falcões. Eles então analisaram a aerodinâmica do pássaro modelo em um túnel de vento.

O corpo de um falcão muda de forma à medida que ganha velocidade. Durante o mergulho de 200 pés, os pássaros alcançaram 50 milhas por hora e o formato do corpo mostrou uma configuração tipo V, com a borda dianteira da asa aparecendo como uma estrutura ondulada com ranhuras nas fendas entre o pescoço e ambos os ombros. Uma comparação das imagens de alta resolução do peregrino em mergulho e as visualizações do modelo no túnel de vento indicam que penas podem aparecer nas mesmas regiões onde ocorre a separação do fluxo local.

Esses resultados podem lançar luz sobre a aerodinâmica e as adaptações estruturais do mergulho de alta velocidade. Benjamin Ponitz acrescentou: "Apenas as investigações combinadas de um modelo em um túnel de vento com os mergulhos de falcões individuais nos permitiram revelar detalhes do voo de mergulho. Em particular, penas de peregrinos aparecem e podem impedir a separação do fluxo local."


DISTRIBUIÇÃO E OCORRÊNCIA

Todas as três subespécies norte-americanas ocorrem no Alasca. Os falcões peregrinos do Ártico são encontrados na tundra do norte, os falcões peregrinos americanos ocorrem nas florestas boreais do interior e os falcões peregrinos de Peale ocorrem ao longo da costa sul do Alasca e nas Ilhas Aleutas [5]. Os 3 centros de maior densidade reprodutiva no Alasca ocorrem na tundra interior das encostas árticas, no sistema do interior do rio Yukon, incluindo regiões do delta e drenagens de alta montanha, e na península do Alasca - região das Ilhas Aleutas [27].

Noroeste Pacífico: No oeste de Washington, os falcões-peregrinos caçam pássaros ao longo das praias, dunas baixas e áreas circundantes com pinheiros Sitka (P. sitchensis), pinho da costa (Pinus contorta var. contorta), Murta-cera da Califórnia (Myrica californica), e grama de praia europeia (Ammophila arenaria), especialmente no inverno [23].

Em Washington e Oregon, os falcões-peregrinos ocupam penhascos em habitats relativamente abertos que variam de pastagens de baixa altitude a pinheiros de alta altitude (Pinus spp.) florestas em todos os estágios serais ([56,143] citado em [25]). Os falcões-peregrinos raramente são vistos nas estepes arbustivas do sudeste de Washington [117].

Califórnia: Na costa da Califórnia, os falcões-peregrinos habitam comunidades costeiras de arbustos de sálvia que estão associadas a dunas costeiras, pastagens perenes, pastagens anuais, plantações, pastagens, abeto de Douglas (Pseudotsuga menziesii var. menziesii) - florestas de madeira dura, carvalho costeiro (Quercus spp.) bosques, bosques montanhosos de madeira dura, pinheiro-cipreste de cone fechado (Cupressus spp.) bosques, haste vermelho-chamise (Adenostoma fasciculatum-A. sparsifolium) comunidades chaparrais e comunidades chaparrais mistas. A vegetação de sálvia costeira é cultivada com tremoço-do-mato (Lupinus spp.) e tremoço multicolorido (L. versicolor) em locais expostos à beira-mar e coyote bush (Baccharis pilularis) em locais menos expostos [47]. A leste da Baía de São Francisco, os falcões-peregrinos ocupam penhascos e áreas rochosas no habitat costeiro de arbustos de salva nas encostas voltadas para o sudoeste. As espécies dominantes incluem artemísia da Califórnia (Artemisia californica), Trigo sarraceno Mojave oriental (Eriogonum fasciculatum), sábio preto (Salvia mellifera), e erva-cobra (Gutierrezia spp.) [117].

De acordo com Verner e Boss [180], o habitat ideal para falcões-peregrinos (com base na alta densidade reprodutiva ou no uso de uma área definida) não está disponível na Sierra Nevada. No entanto, habitat adequado (densidade ou uso intermediário) está disponível lá. Habitats adequados de reprodução, forrageamento e repouso na Sierra Nevada incluem pinheiro cinza (Pinus sabiniana) - bosque de carvalhos, chaparral, pinheiro ponderosa do Pacífico (P. ponderosa var. Ponderosa) florestas, prados de montanha, bosques caducifólios ribeirinhos e associações de coníferas mistas na primavera, verão e outono [180]. Carvalho Azul (Q. douglasii) savanas da Serra Nevada ocidental [118,180] e pinheiro Jeffrey (P. jeffreyi) associações fornecem forrageamento adequado e habitat de repouso na primavera e no outono. Bosques caducifólios ribeirinhos de baixa e média variação, bem como prados de montanha úmidos e secos, fornecem habitat adequado para o falcão-peregrino na Sierra Nevada. Pastagens anuais, abeto vermelho da Califórnia (Abies Magnifica), Pinheiro Sierra lodgepole (P. c. var. Murrayana), e matas decíduas ribeirinhas de alta altitude fornecem habitat de reprodução marginal (área usada regularmente, mas não desempenha um papel importante na manutenção da população) para falcões-peregrinos. Os falcões-peregrinos geralmente não se alimentam em associações com cobertura de dossel & # 880570% na Sierra Nevada. Eles utilizam todos os estágios serais de habitats florestais, florestais e chaparrais na Sierra Nevada [180]. No entanto, os estágios serais tardios do chaparral podem reduzir a disponibilidade de presas [113]. Os falcões-peregrinos provavelmente ocorrem em sequoias (Sequoia sempervirens) e sequóia gigante (Sequoiadendron giganteum) associações [53.196].

As plantas dominantes nas áreas ribeirinhas dos desertos do sul da Califórnia, onde os falcões-peregrinos podem ocorrer [135], incluem o burrobrush branco (Hymenoclea salsola) [91,98], erva-salgada bovina (Atriplex polycarpa), escova de coelho do deserto (Chrysothamnus paniculatus), acácia catclaw (Acacia greggii) [98], trombeta do deserto (Eriogonum inflatum), stingbush do deserto (Eucnide urens), vale anelar (Anulocaulis annulatus), Mel do Arizona (Tidestromia oblongifolia), spurge (Euphorbia spp.), cedro-pigmeu de Schott (Peucephyllum schottii), sweetbush (Bebbia Juncea), e o wirelettuce de Parry (Stephanomeria parryi) [91].

Intermountain West e Rocky Mountains: No oeste dos Estados Unidos, os falcões-peregrinos provavelmente ocorrem em pinyon-junípero de folha única (P. monophylla-Juniperus spp.), pinheiro ponderosa, Rocky Mountain Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii var. glauca), e abeto (Abies spp.) associações [53,196]. Hejl e outros [83], no entanto, sugeriram que os falcões-peregrinos são raros nas florestas de pinheiros-zimbro e pinheiros-carvalhos e em pinheiros ponderosa, Rocky Mountain Douglas-fir-dominada em conífera mista, Rocky Mountain lodgepole pine (Pinus contorta var. latifolia) e florestas de aspen nas Montanhas Rochosas. Os falcões-peregrinos podem ocasionalmente usar clareiras no abeto Engelmann-subalpino (P. engelmannii-A. lasiocarpa) florestas para forrageamento [161].

Em Idaho, os falcões-peregrinos ocupam as Montanhas Rochosas Médias, que ocorre na fronteira oriental de Idaho ([97,176] citado em [18]). Tipos de floresta incluem Rocky Mountain Douglas-fir, Engelmann spruce-subalpine fir, e quaking aspen habitats, com artemísia (Artemisia spp.) e bitterbrush de antílope (Purshia tridentata) estepes e prados de montanha em elevações mais baixas ([176] citado em [18]). Os falcões-peregrinos são visitantes ocasionais em matagais e pastagens. Arbustos com falcões peregrinos incluem grande artemísia (A. tridentata), artemísia baixa (Artemisia spp.), crustáceo cinza-verde coelho crustáceo- (Tetradymia canescens-C. viscidiflorus(A. gardneri-Krascheninnikovia lanata-Achnatherum hymenoides) tipos e um tipo de vegetação arbustiva mista que se restringe a fluxos de lava. Os tipos de pastagem incluem bluebunch wheatgrass-threetip sagebrush (Pseudoroegneria spicata-A. tripartita(Pascopyrum smithii-Iva axillaris-Juncus balticus), Ricegrass indiano-verde coelhobrush-espinhoso-pera (Opuntia spp.), silvestre gigante (Leymus cinereus) -escova-coelho-verde-grande e grama-de-trigoAgropyron cristatum) comunidades [117].

Os locais de nidificação no Colorado são cercados por choupos (Populus spp.) - salgueiro, pinheiro / arbusto ponderosa, bétula aberta (Betula spp.) prados, pinheiros ponderosa-Rocky Mountain Douglas-fir, Rocky Mountain Douglas-fir-Engelmann spruce, Rocky Mountain Douglas-fir, Gambel oak-mountain mogany-serviceberry (Q. gambelii-Cercocarpus-Amelanchier spp.) matas montanhosas e comunidades de pinheiros-zimbro de folha única. Associados comuns incluíam choupo tremedor, abeto branco (A. concolor), e pinho flexível (P. flexilis) [59]. No norte do Colorado, os falcões-peregrinos migrantes são comuns em pastagens mistas dominadas por wheatgrass (Triticeae), Canadá bluegrass (Poa compressa), pradaria Junegrass (Koeleria macrantha), três ramos (Aristida spp.), outras gramíneas perenes e forbs [117].

Deserto a sudoeste: No Arizona, os criadouros podem ser encontrados em uma ampla gama de tipos de vegetação, desde pântanos, áreas ribeirinhas e florestas de coníferas montanas até Mohave e matagal do deserto de Sonora [57]. Os falcões-peregrinos hibernam ao redor do Delta do Rio Colorado, na borda oeste do Deserto de Sonora [90]. A distribuição da vegetação nas áreas ribeirinhas do Deserto de Sonora é altamente variável devido à variação nas chuvas de verão e inverno [135]. Historicamente, Fremont cottonwood-Goodding willow (Populus fremontii-S. gooddingii) as florestas eram comuns no Delta do Rio Colorado. Terraços de terras altas foram vegetados com algaroba (Prosopis spp.) bosques. Pântanos associados a arcos de boi, remansos e infiltrações eram comuns. Mais recentemente, as florestas de choupo-salgueiro cobriram uma área limitada, as áreas de planalto foram desenvolvidas para a agricultura e alguns pântanos foram parcialmente mantidos pelo escoamento agrícola [90]. Smoketree (Psorothamnus spinosus) também é uma espécie arbustiva importante ao longo de grandes drenagens ao longo da borda oeste do Deserto de Sonora. Ironwood do deserto (Olneya tesota) e paloverde azul (Parkinsonia florida) são localmente dominantes [135].

Riachos permanentes no Deserto da Grande Bacia podem ser ocupados por falcões-peregrinos. Os riachos são dominados por choupo de Fremont, choupo de folha estreita (P. angustifolia), salgueiro arroio (S. lasiolepis), salgueiro preto (S. nigra), salgueiro banco de areia (S. exigua) e salgueiro Goodding [135]. Em Utah, o choupo de Fremont geralmente domina os desfiladeiros de rivre, enquanto o zimbro do Colorado pinyon-Utah (P. edulis-J. osteosperma) associações são dominantes no topo de penhascos [77]. Ninhos (locais de ninhos) no sul de Utah estão associados a florestas ribeirinhas de pinheiro-bravo e zimbro decíduas. Esses habitats suportam uma base potencial de presas diversa [193]. Os falcões-peregrinos são transitórios ou irregularmente vistos em comunidades submontanas de arbustos de carvalho Gambel em Utah [111].

Os falcões-peregrinos podem ocupar penhascos e caçar em áreas arborizadas no Novo México. Os habitats da paisagem do Novo México incluem grama galleta (Pleuraphis spp.) e grama preta (Bouteloua eriopoda) pastagens, zimbro com uma semente (J. monosperma) -Colorado pinyon bosques e club cholla (Grusonia clavata) -pera-espinhosa-saboneteira yucca-fourwing saltbush (Yucca glauca-A. canescens) e coelhobrush-Apache-plume (Chrysothamnus spp.-Fallugia paradoxa) - matagais ribeirinhos de arbustos salgados de quatro asas [117]. A vegetação dominante no sudoeste do Novo México inclui cactos, agave (Agave spp.), pera espinhosa, e às vezes densa cobertura de carvalho Gambel, carvalho cinza (Q. grisea), carvalho de folha prateada (Q. hipoleucoides), mogno da montanha, pinheiro do Colorado e zimbro crocodilo (J. deppeana) No Novo México, a vegetação comum em áreas que queimaram em 25 anos incluía gafanhotos do Novo México (Robinia neomexicana) e groselha (Ribes spp.). Entre 5.000 e 8.000 pés (1.500-2.400 m) de elevação, a maioria dos penhascos no sudoeste do Novo México eram cercados por pinheiros ponderosa internos (Pinus p. var. escopuloro) e Rocky Mountain Douglas-fir em encostas mésicas ou por matagais de carvalho-zimbro-pinheiro em encostas xéricas [69]. Os falcões-peregrinos são raros visitantes de verão em carvalhos brilhantes (Q. havardii) e algaroba (Prosopis glandulosa) comunidades no sudeste do Novo México [10].

No deserto de Chihuahuan, no Novo México, a vegetação ao longo das cristas e margens do desfiladeiro inclui pinheiros e carvalhos. Paredes de cânion íngremes sustentam gramíneas e arbustos, incluindo ocotillo (Fouquieria splendens), sotol (Dasylirion spp.), iúca (Yucca spp.) e lechuguilla (Agave lechuguilla) Os leitos dos rios são dominados por nogueira (Juglans spp.), buckeye mexicano (Ungnadia speciosa), Texas madrone (Arbutus xalapensis), bordo bigtooth (Acer grandidentatum), hackberry (Celtis spp.), zimbro-jacaré e carvalho [185]. Cottonwood e salgueiro do deserto são encontrados ao longo de drenagens primárias com associados, como algaroba (P. pubescens), algaroba, espinho do deserto (Lycium spp.) e erva-sal. Em drenagens secundárias, acácia, planta sensível (Mimosa spp.), baccharis (Baccharis spp.), snakewood (Condalia spp.), e o burrobrush estão associados ao salgueiro do deserto e / ou algaroba [135].

A paisagem de baixo deserto do Deserto de Chihuahuan, no Texas e no centro-norte do México, é dominada por creosotebush (Larrea tridentata), algaroba, acácia e planta sensível. Elevações em 3.600 a 4.600 pés (1.100-1.400 m) são vegetadas com matagal ou pradaria de grama curta. Comunidades de zimbro-carvalho são encontradas em 4.600 a 5.600 pés (1.400-1.700 m). Associações de pinheiro-carvalho-zimbro e florestas de coníferas, incluindo pinheiros (Pinus spp.) e Rocky Mountain Douglas-fir ocorrem nas altitudes mais elevadas [94].

Ótimos planos: No Texas e Oklahoma, os falcões-peregrinos são residentes em comunidades de carvalho reluzente de areia [52]. Os falcões-peregrinos são comuns na costa do Texas durante a migração. Os habitats de praia ocupados são vegetados com pouco bluestem (Esquizachyrium scoparium), capim-prado salgado (Spartina patens), semente solta à beira-mar (Sporobolus virginicus), e gulfdune paspalum (Paspalum monostachyum) ([195] citado em [95]).

Leste dos Estados Unidos: O habitat primário nos sistemas de penhascos e encostas do vale do Kentucky oriental e central inclui florestas mesofíticas mistas e de madeira de lei do norte, incluindo a faia americana de cicuta-amarela-choupo oriental (Tsuga canadensis-Liriodendron tulipifera-Fagus grandifolia) [39,55]. Afloramentos de arenito formando cristas são caracterizados por carvalho-pinheiro-nogueira (Carya spp.) floresta [55]. Em ridgetops, as árvores dominantes incluem pitch pine (P. rigida), pinho de folha curta (P. echinata), Pinheiro da Virgínia (P. virginiana), carvalho castanho (Q. prinus), e carvalho escarlate (Q. coccinea) Outros associados incluem basswood americano (Tilia americana var. heterófila), bordo de açúcar (A. saccharum), carvalho vermelho do norte (Q. rubra), Carvalho branco (Q. alba), buckeye amarelo (Aesculus flava) e cicuta oriental [39].

Os falcões-peregrinos habitam pinheiro-bravo de 70 a 160 anos de idade (P. taeda) está com carvalho ao vivo associado (Q. virginiana) e carvalho louro (Q. laurifolia) em florestas marítimas da Carolina do Sul [84].

Os falcões-peregrinos ocupam a região dos montes de areia da Flórida. Os tipos de coníferas incluem pinheiro-peru de folha longa (P. palustris-Q. laevis) e pinheiro bravo (P. clausa) -associações de carvalho esfrega. Tipos de carvalho scrub podem incluir carvalho Chapman (Q. chapmanii), carvalho de murta (Q. myrtifolia), e carvalho vivo de areia (Q. geminata) [112].

Canadá Oriental: Em Rankin Inlet, Nunavut, cumes, planaltos e encostas bem drenadas são dominados por líquenes, musgos e arbustos baixos, incluindo chá de Labrador do norte (Ledum palustre), cranberry da montanha (Vaccinium vitis-idaea) e crowberry preto (Empetrum nigrum) Urze branca da montanha ártica (Cassiope tetragona) ocorre em áreas úmidas e baixas e fendas nas rochas. Heaths, toda a folha da montanha-avens (Dryas integrifolia), juncos (Carex spp.), urze da montanha (Cassiope spp.), e líquenes são comuns em encostas e encostas em Rankin Inlet ([115] citado em [45]).

A tundra do oeste da Groenlândia é dominada por salgueiro de folha de cinza (S. glauca) e bétula anã (Betula nana) arbustos com menos de 1 m de altura, com crowberry associado (Empetrum spp.), chá de Labrador (Ledum spp.), urze da montanha, juncos, algodoeiro (Eriophorum spp.), reedgrass (Calamagrostis spp.), festuca (Festuca spp.) e bluegrass (Poa spp.) [26,150]. No sul da Groenlândia, o habitat varia de denso arbusto de salgueiro a vegetação esparsa, incluindo crowberry preto, zimbro comum (J. communis) e bétula espalhada de até 26 pés (8 m) de altura [67,68].

México: Na Sierra Madre Oriental, as comunidades vegetais ao redor dos penhascos utilizados pelos falcões-peregrinos incluem o pinheiro branco do sudoeste (P. strobiformis) -Rocky Mountain Douglas-fir-fir (Abies spp.) em cumes, densas florestas de pinheiro-zimbro, pinheiro-manso-iúca em encostas, campos de milho (Zea mays), campos em pousio e maçãs paradisíacas jovens e maduras (Malus Pumila) pomares [105]. No norte de Sonora, um falcão-peregrino foi observado em uma área topograficamente complexa com manchas de bosques de carvalhos separados por pastagens ou matagais desérticos. Hopbush da Flórida (Dodonaea viscosa), goma (Gymnosperma glutinosum), e uma planta sensível dominou a área [70].


Mecânica do Falcão-peregrino Dive Pull Up - Biologia

Os falcões-peregrinos são uma das aves mais rápidas do mundo, atingindo até 320 quilômetros por hora durante o mergulho.

Os cientistas estão estudando a forma do corpo e o contorno da asa do pássaro para entender melhor como eles alcançam essas altas velocidades de mergulho enquanto mantêm a capacidade de manobra - em aviões humanos, os flaps diminuem a velocidade para tornar a aeronave mais manobrável.

Os pesquisadores treinaram falcões-peregrinos para mergulhar na frente de uma barragem de 60 metros e capturaram 35 mergulhos com um sistema de câmera estéreo de alta velocidade e câmera de alta resolução. As imagens permitiram aos pesquisadores reconstruir a trajetória de voo e a forma do corpo do falcão durante certas fases do voo, e construir um modelo em tamanho real dos falcões. Eles então analisaram a aerodinâmica do pássaro modelo em um túnel de vento.

Eles descobriram que, semelhantes às asas e nadadeiras com abas auto-adaptáveis, as penas de um falcão-peregrino em mergulho podem aparecer durante mergulhos em alta velocidade

O corpo de um falcão muda de forma à medida que ganha velocidade. Crédito: Benjamin Ponitz / doi: 10.1371 / journal.pone.0086506

O corpo de um falcão muda de forma à medida que ganha velocidade, mostram os resultados. Durante o mergulho de 200 pés, os pássaros alcançaram 50 milhas por hora e o formato do corpo mostrou uma configuração tipo V, com a borda dianteira da asa aparecendo como uma estrutura ondulada com ranhuras nas fendas entre o pescoço e ambos os ombros.

Uma comparação das imagens de alta resolução do peregrino em mergulho e as visualizações do modelo no túnel de vento indicam que penas podem aparecer nas mesmas regiões onde ocorre a separação do fluxo local. Esses resultados podem lançar luz sobre a aerodinâmica e as adaptações estruturais do mergulho de alta velocidade.

Penas de falcão pipocam durante os mergulhos em alta velocidade e podem impedir a separação do fluxo local. Crédito: Benjamin Ponitz

"Apenas as investigações combinadas de um modelo em um túnel de vento com os mergulhos de falcões individuais nos permitiram revelar detalhes do voo de mergulho. Em particular, penas de peregrinos aparecem e podem impedir a separação do fluxo local", disse o autor principal Benjamin Ponitz da o Instituto de Mecânica e Dinâmica dos Fluidos na Alemanha.


O mergulho de alta velocidade do Falcon gera forças necessárias para capturar uma presa ágil

Os falcões-peregrinos mergulham de grandes alturas e em velocidades extremas ao caçar para gerar altas forças aerodinâmicas que os permitem executar manobras precisas e capturar presas ágeis. Usando uma simulação de computador baseada na física, pesquisadores na Holanda e no Reino Unido explicaram por que os raptores desenvolveram uma estratégia de ataque que impõe demandas físicas e cognitivas extremas sobre eles. A pesquisa também pode ajudar no desenvolvimento de drones autônomos de asas oscilantes.

O falcão-peregrino é a ave de mergulho mais rápida do mundo e o animal mais rápido do planeta. De acordo com o Guinness World Records, em 2005 um foi registrado viajando a velocidades de mais de 380 km / h enquanto se inclinava - mergulhando atrás de uma presa.

Caindo do céu

“Testemunhar a curva em alta velocidade de um falcão-peregrino é impressionante: um falcão pode primeiro voar em altitudes de várias centenas de metros, até vários quilômetros acima de sua presa”, diz Robin Mills, biólogo da Universidade de Groningen, na Holanda , e visitante acadêmico da Universidade de Oxford. “Então, em um piscar de olhos, ele mergulha - primeiro batendo com força e depois dobrando as asas para diminuir o arrasto. Basicamente, parece cair do céu. Quando o falcão se aproxima de sua presa, pode derrubá-la com um golpe forte ou pegá-la com suas garras. ”

Mills & # 8217 colegas da Universidade de Oxford demonstraram anteriormente - usando registradores GPS a bordo e câmeras - que os falcões peregrinos curvados usam as mesmas leis de direção de muitos mísseis guiados feitos pelo homem. Usando essas regras de “navegação proporcional”, os falcões permanecem em rota de colisão com suas presas simplesmente rastreando as mudanças em sua linha de visão no alvo. Se o ângulo da linha de visão muda, o falcão gira a uma taxa proporcional à velocidade dessa mudança. Com uma constante de proporcionalidade, conhecida como constante de navegação, determina a taxa de curva do falcon & # 8217s e a rapidez com que atinge o alvo.

Ataques simulados

Na última pesquisa, descrita em PLOS Biologia Computacional, a equipe construiu uma simulação baseada na física de ataques de falcões a presas aéreas para investigar por que eles caem de grandes alturas e em velocidade extrema.

A simulação modelou as forças aerodinâmicas sobre os falcões durante as paradas e como eles visam e reagem às presas usando navegação proporcional. Foi executado milhões de vezes, com os pesquisadores variando a posição inicial do falcão, sua constante de navegação e suposições sobre erros e atrasos em sua visão e controle. Eles também modelaram diferentes padrões de voo de presas.

Anteriormente, havia sido sugerido que os falcões e # 8217 mergulhos em alta velocidade surpreendiam as presas, que então lutavam para responder a tempo. Mas também se presumiu que a velocidade do ataque reduziria a precisão, especialmente se a presa se virasse bruscamente.

Os pesquisadores descobriram, no entanto, que quando a presa se move erraticamente, a velocidade extrema de um falcão & # 8217s abaixa maximiza as forças aerodinâmicas que permitem manobras precisas e aumentam o sucesso de captura em comparação com ataques mais lentos em baixa altitude.

Interceptando presa

“Ao dobrar as asas de forma adequada, o falcão inclinado é capaz de atingir a aceleração lateral (de mais de 15 g), e aceleração de rotação - agilidade - necessária para atender às suas demandas de direção e usando as mesmas regras matemáticas de direção dos mísseis feitos pelo homem, o falcão é capaz de interceptar uma presa que gira bruscamente sem virar-se bruscamente ”, explica Mills.

De acordo com a simulação, isso só funciona se a lei de orientação do falcão & # 8217s for ajustada com precisão e se os pássaros tiverem um alto grau de controle de direção e precisão visual. Os pesquisadores afirmam que isso mostra que a parada é uma estratégia de ataque altamente especializada, acrescentando que a constante de navegação ótima para a simulação foi próxima à observada em falcões-peregrinos.

A equipe também descobriu que inclinações em alta velocidade não exigem tempos de reação mais rápidos do que ataques mais lentos. “Ao aumentar a agilidade do falcão, a curva compensa a diminuição no sucesso da captura, de outra forma resultante de uma resposta lenta”, explica Mills. “Se a tomada de decisão do falcão fosse essencialmente instantânea, não seria necessário se inclinar em alta velocidade para pegar a maioria das presas.”

Substituindo falcões

Em última análise, Mills espera usar os dados para desenvolver drones de asas oscilantes totalmente autônomos. Uma aplicação prática de tal tecnologia seria substituir os falcoeiros e falcões caros atualmente usados ​​em aeroportos para afugentar pássaros, para evitar que voem em motores de avião.

“O que é ótimo em nossas simulações é que ela preenche a lacuna entre as máquinas voadoras artificiais e a biologia: ao combinar de maneira única as leis de controle ideal derivadas teoricamente com modelagem aerodinâmica empiricamente verificada, comportamento de ataque e restrições fisiológicas de pássaros reais, aprendemos precisamente o que são os pássaros fazendo e por quê - mas também como controlar melhor os drones de asas oscilantes feitos pelo homem ”, diz Mills.


Métodos

Modelo de pássaro

Equipamentos de rastreamento óptico de alta velocidade de última geração empregados durante o experimento de campo ajudaram a resolver a trajetória de voo e as configurações de asa em vários intervalos durante a parada 5. A geometria da ave foi obtida por uma varredura 3D de um falcão-peregrino empalhado com suas asas fixadas de acordo com a morfologia observada a partir da análise detalhada das gravações durante o experimento de campo. Essas coordenadas foram importadas para um pacote CAD para um ajuste mais preciso dos contornos da superfície necessários para fabricar os modelos de túnel de vento em tamanho real usando prototipagem rápida (impressão 3D) e para a simulação CFD. A superfície do modelo impresso em 3D foi polida manualmente até ser considerada lisa, semelhante à textura da superfície das penas de um falcão-peregrino. Devido à alta resistência mecânica da cauda e das penas primárias relatada pela ref. 9, presumimos que eles estão agindo como superfícies aerodinâmicas com deflexão mínima e, portanto, efeito insignificante para o fluxo médio geral devido à deformação da plumagem. O modelo em tamanho real de 0,40 me envergadura de 0,22 m foi montado horizontalmente em uma picada fixada entre a região anal da ave e o chão da seção de teste (0,8 m de altura, 1,12 m de largura e 1,8 m de comprimento) do baixo instalação de túnel de vento de alta velocidade do Laboratório de Aeronáutica Handley Page da City, Universidade de Londres. Ele foi definido em um ângulo de incidência de 5 ° e o experimento foi conduzido a uma velocidade de fluxo livre de 22,5 m / s após a ref. 5 Isso corresponde a um número de Reynolds de

5,8 × 10 5, com base no comprimento da ave. O ângulo de ataque é definido como o ângulo entre a linha da corda (aqui passando pelo corpo da ave) e a direção do fluxo livre no túnel. Em vôo livre, é o ângulo entre a corda e a trajetória do pássaro. Este ângulo foi derivado de uma combinação de observações de campo (mostradas esquematicamente na Fig. 1) e testes de túnel de vento em Freiberg, liderados por C. Brücker e relatados por Ponitz et al. Como estamos principalmente interessados ​​na física de fluxo nesta incidência relativamente baixa, o efeito de bloqueio foi considerado insignificante. Seguinte ref. 9, o efeito da plumagem foi considerado desprezível no fluxo médio.

Técnica de visualização de fluxo

A técnica de visualização de fluxo de superfície compreendendo uma mistura de white spirit (Nafta), pó DayGlo e ácido oleico foi empregada para capturar a topologia do fluxo sobre o modelo de ave. A mistura foi aplicada na superfície com pincel de cerdas finas, pouco antes da operação do túnel. A evolução do filme de óleo foi registrada e o padrão final totalmente desenvolvido foi fotografado sob luz ultravioleta para aumentar a definição. Devido à tensão de cisalhamento entre a superfície e o fluido próximo à superfície, um padrão de linhas de corrente também conhecido como linhas de fricção de pele é gerado, indicando a trajetória do fluxo próximo à superfície. A representação topológica dessas linhas de fluxo próximas à superfície ajudou a identificar e interpretar regiões de fluxo destacado e as origens dos vórtices usando a teoria do ponto crítico. A análise das gravações de vídeo do movimento transitório do filme de óleo foi muito útil na identificação de regiões de separação e formação de vórtice, o que era difícil de interpretar apenas a partir da imagem estática do padrão finalmente seco.

Velocimetria de imagem de partícula digital

Uma versão estéreo de duas câmeras de um sistema TSI DPIV padrão é usada, a iluminação é feita com um laser Nd: YLF de pulso duplo de 4 mm de espessura (Litron LDY303, comprimento de onda de 527 nm, 20 mJ / pulso) expandido para uma folha com um cilindro lente. Duas câmeras de alta velocidade (Phantom Miro M310, Vision Research, 1280 × 800 pixels) são montadas em cada lado da seção de teste e visualizam o rastro do pássaro usando o mecanismo tilt-shift Scheimpflug e uma lente macro (Tokina 100 mm f / 2.8). Os campos de visão das duas câmeras foram ajustados de forma que um campo de visão comum abrangesse todo o rastro do modelo do pássaro, com a linha central do pássaro alinhado com o centro do campo de visão. Os ângulos de visão das câmeras eram de aproximadamente 40 graus cada, com um ângulo de Scheimpflug de

6 ° cada. Eles foram calibrados para levar em conta a distorção angular contra um alvo de dois planos com pontos marcadores de calibração que alternam entre duas profundidades. Gotículas de azeite com tamanho médio de 1 µm geradas por um gerador de semeadura (tipo Laskin-nozzle) foram utilizadas como partículas de sementes, injetadas a jusante do modelo da ave. Os pares de imagens DPIV foram adquiridos a uma taxa de 250 Hz por 4 s, resultando em um total de 1000 pares de imagens. Os pares de imagens brutas de ambas as câmeras foram pré-processados ​​usando o software TSI Insight 4G e um algoritmo de correlação cruzada robusto determinou o campo de vetor de velocidade. O tamanho do ponto para a primeira passagem do cálculo do campo vetorial foi de 64 × 64 pixels, com um espaçamento de grade de sobreposição de 50%. O tamanho do ponto foi reduzido para 32 × 32 pixels para a segunda passagem, com um deslocamento máximo permitido de 16 pixels. Uma máscara gaussiana foi implementada com um correlacionador FFT para calcular a função de correlação. Os vetores computados para cada câmera foram então submetidos à calibração espacial da perspectiva para produzir os três componentes da velocidade. Os campos de vetores foram validados usando um filtro de mediana local (3 × 3) e quaisquer vetores ausentes foram interpolados usando uma média local. Quaisquer vetores espúrios foram descartados e substituídos por um vetor interpolado, conforme mencionado anteriormente. A quantidade de vetores espúrios foi inferior a 2% de todo o conjunto de dados vetoriais. O campo de vorticidade mostrado na Fig. 3c foi obtido a partir da média da amostra completa.

Dinâmica de fluidos computacional

Todas as simulações CFD são conduzidas usando o software comercial, STAR CCM + v.12, que é capaz de cálculos implícitos de Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) e Large Eddy Simulation (LES). O domínio computacional foi decomposto em uma grade cartesiana global e camadas do prisma próximo à superfície foram geradas a partir de uma malha de superfície. The initial mesh was based on an anisotropic hexahedral trimmed grid and has approximately 57 million cells where the minimum grid spacing was defined on the basis of y + ≤ 1 to resolve the fine scales of the boundary layer 28 . A second-order accurate scheme was selected for the spatial and temporal discretisation 29 . The initial RANS simulations were regarded as converged if the residuals of the momentums (X, Y, Z) and the energy dropped below ε = 10 −5 . To ensure that neither timestep nor mesh induced errors influenced the numerical results from the LES, all simulations were recalculated using a coarser and finer mesh respectively for a smaller and bigger time step. Further detail is presented as Supplementary Material where Supplementary Fig. 1 shows evidence of convergence. As the CAD model is an exact replica of the original falcon model design, the results could be directly compared with the experimental data.

Data availability

The live recording of the surface oil-flow visualisation, the DPIV and the CFD simulation results are available at ‘figshare’ under https://doi.org/10.6084/m9.figshare.5928229


Gliding flight: speed and acceleration of ideal falcons during diving and pull out.

Some falcons, such as peregrines (Falco peregrinus), attack their prey in the air at the end of high-speed dives and are thought to be the fastest of animals. Estimates of their top speed in a dive range up to 157 m s-1, although speeds this high have never been accurately measured. This study investigates the aerodynamic and gravitational forces on 'ideal falcons' and uses a mathematical model to calculate speed and acceleration during diving. Ideal falcons have body masses of 0.5-2.0 kg and morphological and aerodynamic properties based on those measured for real falcons. The top speeds reached during a dive depend on the mass of the bird and the angle and duration of the dive. Given enough time, ideal falcons can reach top speeds of 89-112 m s-1 in a vertical dive, the higher speed for the heaviest bird, when the parasite drag coefficient has a value of 0.18. This value was measured for low-speed flight, and it could plausibly decline to 0.07 at high speeds. Top speeds then would be 138-174 m s-1. An ideal falcon diving at angles between 15 and 90 degrees with a mass of 1 kg reaches 95 % of top speed after travelling approximately 1200 m. The time and altitude loss to reach 95 % of top speed range from 38 s and 322 m at 15 degrees to 16 s and 1140 m at 90 degrees, respectively. During pull out at top speed from a vertical dive, the 1 kg ideal falcon can generate a lift force 18 times its own weight by reducing its wing span, compared with a lift force of 1.7 times its weight at full wing span. The falcon loses 60 m of altitude while pulling out of the dive, and lift and loss of altitude both decrease as the angle of the dive decreases. The 1 kg falcon can slow down in a dive by increasing its parasite drag and the angle of attack of its wings. Both lift and drag increase with angle of attack, but the falcon can cancel the increased lift by holding its wings in a cupped position so that part of the lift is directed laterally. The increased drag of wings producing maximum lift is great enough to decelerate the falcon at -1.5 times the acceleration of gravity at a dive angle of 45 degrees and a speed of 41 m s-1 (0.5 times top speed). Real falcons can control their speeds in a dive by changing their drag and by choosing the length of the dive. They would encounter both advantages and disadvantages by diving at the top speeds of ideal falcons, and whether they achieve those speeds remains to be investigated.

Email alerts

Cited by

Find us at the SEB 2021 Annual Conference

We’re looking forward to the SEB 2021 Annual Conference, taking place online from 29 June – 8 July.

Careers and Coffee
Join JEB Reviews Editor Charlottle Rutledge at 1.30pm on 1 July to hear about her personal career journey.

Young Scientist Award
We’re delighted to sponsor the Young Scientist Award (animal section). The winner will be announced on 2 July during the Medal and Prize session.

Subject collections
View our subject collections highlighting papers by recent SEB award winners, find out how JEB supports early-career researchers and learn about the journal.

Call for papers - Building New Paradigms in Comparative Physiology and Biomechanics

Our upcoming special issue is welcoming submissions until 31 July 2021. The special issue will be published in early 2022 and will be widely promoted online and at key global conferences.

Sickness behaviours across vertebrate taxa

Caiman red blood cells carry bicarbonate, not blood plasma

Bautista et al. find that rather than carry bicarbonate in their blood plasma, caiman carry the anion in their red blood cells, thanks to their specially modified haemoglobin.

Read & Publish agreement with EIFL

We are pleased to announce that researchers in 30 developing and transition economy countries can benefit from immediate and fee-free Open Access publishing in Journal of Experimental Biology following a new agreement with Electronic Information for Libraries (EIFL).

We now have over 200 institutions in more than 20 countries and six library consortia participating in our read & Publish initiative. Find out more and view the full list of participating institutions.


Why Does the Peregrine Falcon Risk Its Bullet-Like Dives to Catch Prey?

The bird is a marvel of evolution, a gifted raptor that uses its special advantages to reach dive speeds of over 300 km/hr.

A peregrine falcon turns in the air… Credit: peterichman/Flickr, CC BY 2.0

When it comes to speed, humans are often effortlessly outclassed by other members of the animal kingdom. In short bursts, a cheetah can reach speeds four times greater than Usain Bolt’s. A sailfish can swim ten-times faster than the fastest human swimmer ever.

The fastest animal in the air, however, is just stupendous. It is the fastest of them all.

The peregrine falcon’s body is built to execute high-speed manoeuvres as it dives through the air to snag its prey. Tailor-made wings and feathers reduce drag by allowing the falcon to shape itself like a bullet. A large keel bone allows it to flap its wings more vigorously and generate lots of power. Nifty modifications in the eye keep its cornea from drying up in-flight. A sophisticated breathing and circulatory apparatus gives it the ability to breathe at high speeds and not tire quickly.

The bird is a marvel of evolution, a gifted raptor that uses its special advantages to reach dive speeds of over 300 km/hr. That’s three-times faster than a cheetah or a sailfish.

That said, it’s curious why the peregrine falcon engages in this remarkable aerial attack strategy at all. Scientists believe the falcon’s stoop is a payoff between surprising its prey and risking hitting a target – or the ground – at over 200 km/hr. High-speed dives also make it hard for the falcon to make mid-flight adjustments to its trajectory. In all, its a gamble of a dive, and the falcon surely has better options…

Studying the aerial dynamics of birds is not easy, especially when these dynamics involve speeds of an F1 car in full throttle, moving through air. Evaluating if an attack strategy is optimal is also complicated because each strategy is motivated by a variety of shifting factors working together.

As a result, scientists switched to using computer simulations to understand why peregrine falcons perform their boltlike dives. Their working question: does the stoop increase the odds of successfully catching prey?

According to a recently published study, the answer is ‘yes’.

When confronted with agile prey, the peregrine falcon goes for a high-altitude swoop because that’s indeed the best mode of attack. The researchers coupled the individual flight mechanics of the falcon to a navigation system, and tried to find the conditions in which a stoop attack offered unique advantages, and why.

The birds known as starlings (of the murmurations fame) have three flight trajectories: straight line flight, smooth curving and jerky turns. These courses broadly correspond to actual paths many birds are known to follow. The peregrine falcon has to design its stoop such that it catches these birds when as they’re performing one of these three moves.

In their simulations, the scientists modelled the way a falcon corrected its stoop while hurtling through the air along the laws used by guided missiles to maintain their fix on targets. This choice was inspired by the results of a study published last year, when different scientists had attached camera and GPS devices on falcons and found that their trajectory was quite similar to the path followed by visually guided missiles. In these exercises, they found that a single number called the ‘navigation constant’ was able to dictate how the falcon would compensate for its prey’s motion.

In the current study, the researchers picked one starling flight strategy at a time and ran simulations for different stoop altitudes, angles of attack and navigation constants. Across millions of simulations, they were able to distill the complex predator-prey dynamics of an actual starling-falcon system to a set of just three parameters.

At low speed, the falcon is outsmarted by the starling because the latter are better able to steer their bodies and execute tighter turns. At a high speed, however, the falcon kills it. When the starling flies in a straight line, the falcon is better off diving from low heights. As soon as the starlings begin to move around a bit, the falcon has to increase its diving height to achieve a high catch-success rate.

When the starlings start to move jerkily, in seemingly abrupt ways, the most successful strategy for the falcon is to dive from a height of almost 5,000 feet (1.5 km) – a high-power stoop in which the falcon almost reaches its maximum possible speed at the point of interception.

The high speed achieved during this death-dive gives the falcon a distinct aerodynamic advantage: the falcon is able to roll with higher acceleration and outmanoeuvre the starlings. It also has more leeway to sacrifice speed for a lifting force, allowing it to steer into tighter turns.

In sum, while the stoop puts pressure on the falcon to get its vision and flight control right, it also gives the falcon more time to respond to changes in its prey’s path. The study’s authors claim that for a fixed navigation constant (close to the empirically deduced value for missile systems), the stoop becomes the best way to attack a maneuvering prey.

Even though the simulations used in the study represented an idealised picture of an interaction between predator and prey, they have revealed previously hidden insights into why aerial predators adopt risky, challenging attack strategies when easier options seem to exist.

Apart from behavioral and environmental conditions that influence predation, there is a clear physical basis for the peregrine falcon’s dives. And these revelations have emerged from an analysis almost completely bereft of biological considerations.

Ronak Gupta recently completed his masters in fluid mechanics from the Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Bangalore. He writes about all things science.


Mechanics of Peregrine Falcon Dive Pull Up - Biology

Institute of Mechanics and Fluid Dynamics, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany

Copyright © 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

Received 1 October 2014 revised 31 October 2014 accepted 28 November 2014

During a dive peregrine falcons can reach velocities of more than 320 km/h and makes themselves the fastest animals in the world. The aerodynamic mechanisms involved are not fully understood yet and the search for a conclusive answer to this fact motivates the three-dimensional (3-D) flow study. Especially the cupped wing configuration which is a unique feature of the wing shape in falcon peregrine dive is our focus herein. In particular, the flow in the gap between the main body and the cupped wing is studied to understand how this flow interacts with the body and to what extend it affects the integral forces of lift and drag. Characteristic shapes of the wings while diving are studied with regard to their aerodynamics using computational fluid dynamics (CFD). The results of the numerical simulations via ICEM CFD and OpenFOAM show predominant flow structures around the body surface and in the wake of the falcon model such as a pair of body vortices and tip vortices. The drag for the cupped wing profile is reduced in relation to the configuration of opened wings (without cupped-like profile) while lift is increased. The purpose of this study is primarily the basic research of the aerodynamic mechanisms during the falcon’s diving flight. The results could be important for maintaining good maneuverability at high speeds in the aviation sector.

Peregrine Falcon, Aerodynamics, Cupped Wings, CFD

The peregrine falcon (Falco peregrinus) is one of the world’s fastest birds. During horizontal flight, it reaches velocities of up to 150 km/h ([1] [2] ) and even more than 320 km/h when nose-diving to attack its bird prey (e.g. [3] -[10] ). Nearly all bird species can alter the shape of their wings and thus they can change their aerodynamic properties [11] [12] , a concept known as “morphing wing” [13] . During a dive, peregrines also alter the shape of their wings while accelerating, they move them closer and closer to their body [10] . Several body shapes can be described as a classical diamond shape of the wings followed by a tight vertical tuck with a cupped-like profile of the frontal wing parts [10] [14] -[16] . Only at top velocities (up to at least 320 km/h) peregrines build a wrap dive vacuum pack, i.e. the wings are completely folded against the elongated body [17] . Peregrines are not only extremely fast flyers but also maintain remarkable maneuverability at high speeds. For instance, during courtship behavior they often change their flight path at the end of a dive, i.e. they turn from a vertical dive into a steep climb. This suggests that peregrines are exposed to high mechanical loads.

Although the nose-diving flight of peregrines has been investigated for numerous times, exact numerical flow simulations have not been carried out. Therefore, we investigated different wing configurations (opened wings and cupped wings extension [9] ) of the peregrine falcon during diving flight. Both geometries are gained from a previous study by Ponitz et al. (2014) [18] at maximum diving velocities from a dam wall dive. The present study investigates the influence of the geometry change of the extended cupped wings configuration via numerical simulations. The results show that the cupped wings reduce both form and induced drag, while increasing the lift coefficient. This shows how fine the bird can tune the body forces by morphing the wing shape in diving flight conditions.

2.1. Geometries and Models of the Falcon

2.1.1. Dam Wall Diving Flights of Real Falcons

The numerical simulation in this study is based on the specific diving flight condition which is gained from a previous study by [18] . A peregrine falcon was trained to dive from a dam wall and the dive was captured with a stereo high-speed camera system to reconstruct the 3-D flight path. Furthermore, a camera equipped with 400 mm zoom lenses was used to gain detail studies of the falcon body geometry. The region of interest shows three flight phases: (1) acceleration/diving phase, (2) transient phase with roughly constant speed and (3) deceleration phase. A maximum dive speed of 22.5 m/s was derived from the flight trajectory at flight phase (2). During the dive two significant body geometries are determined around the transient flight phase (2): one configuration without cupped wings (hereinafter called “opened wings”) and one configuration with cupped wings [9] (see Figure 1). For the investigated flight situation an angle of attack />was determined for the equilibrium condition at the maximum diving speed of 22.5 m/s. For this flight situation wings remain stationary and do not flap.

Figure 1 . 3-D flight path and detailed body geometries of the falcon’s dive from dam wall Olef-Talsperre, Germany. The trajectory is color-coded with the flight velocity magnitude (red color: higher velocities). The region of interest shows three flight phases: (1) acceleration/diving phase, (2) transient phase with roughly constant speed and (3) deceleration phase. Maximum velocity during the dive was 22.5 m/s at flight phase (2). For this transient phase two specific configurations (opened wings and cupped wings) were obtained. An angle of attack α = 5˚ was determined for the equilibrium condition [18] .

2.1.2. Generation of the Models

A life-sized model was built for both configurations, opened wings and cupped wings. Thus, we used the stuffed body of a female peregrine falcon and manually modified its wings until every body shape matched to the geometries of the falcon during dive from the dam wall (see Figure 1). The main part of the body for both configurations is identical. Only the tips of the wings are modified by a kind of winglets extension (cupped wings). Each modified body was fixated and subsequently scanned to acquire its 3-D surface contours (see Figure 2). In a further step, a one-to-one polyvinyl chloride (PVC) model was fabricated by laser sintering process using the acquired 3-D data. The experimental data from wind-tunnel test on this PVC falcon model is needed to evaluate the numerical simulations. Details of the aerodynamic relevant surface areas are given in Table 1.

For evaluating the numerical model the flow around the life-size PVC model was measured in a type Göttingenwind-tunnel. A force-balance delivered experimental data of the lift and drag forces of the identical model geometry. Hence, results of the wind-tunnel tests can be compared with numerical simulation results of lift and drag coefficients. The experimental set-up is depicted in Figure 3.

The numerical flow simulations of the falcon allow visualizing flow regions that are difficult to access by experimental methods. Furthermore, they enable to show distributions, for example, of the wall shear stress or pressure in order to identify hot spots, and most important for the present work, the exact determination of quantities like the λ2 vortex criterion of the flow field. In the present study, the three-dimensional CAD model of the falcon is transferred into a computational unstructured grid using a grid generation tool ICEM CFD 14.5 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA). The computational domain as marked in Figure 4 includes the inflow region, the falcon region, and the downstream wake region of the flow.

Special attention was paid to the meshing of the falcon. Refinements toward near-wall regions were taken into consideration. The grid consists in total of 6.5 million unstructured tetrahedron cells and 1.5 million prism cells on the falcon surface. A mesh independency check for the results of lift and drag coefficients was done for up to 10 million cells. Simulation stability was investigated in respect to different grid parameters and following settings leads to stable results: The height of the first prisms layer on the falcon surface is set to 0.1 mm />with a growth factor of 1.10 for the following layer perpendicular to the wall and a total number of 10 layers

Figure 2 . Computer aided design (CAD) falcon models: opened wingshape (left) and cupped wing shape (right).

Table 1 . Reference areas of the falcon modelswith opened wings and cupped wings.


Why Does the Peregrine Falcon Risk Its Bullet-Like Dives to Catch Prey?

When it comes to speed, humans are often effortlessly outclassed by other members of the animal kingdom. In short bursts, a cheetah can reach speeds four times greater than Usain Bolt’s. A sailfish can swim ten-times faster than the fastest human swimmer ever.

The fastest animal in the air, however, is just stupendous. It is the fastest of them all.

The peregrine falcon’s body is built to execute high-speed manoeuvres as it dives through the air to snag its prey. Tailor-made wings and feathers reduce drag by allowing the falcon to shape itself like a bullet. A large keel bone allows it to flap its wings more vigorously and generate lots of power. Nifty modifications in the eye keep its cornea from drying up in-flight. A sophisticated breathing and circulatory apparatus gives it the ability to breathe at high speeds and not tire quickly.

The bird is a marvel of evolution, a gifted raptor that uses its special advantages to reach dive speeds of over 300 km/hr. That’s three-times faster than a cheetah or a sailfish.

That said, it’s curious why the peregrine falcon engages in this remarkable aerial attack strategy at all. Scientists believe the falcon’s stoop is a payoff between surprising its prey and risking hitting a target – or the ground – at over 200 km/hr. High-speed dives also make it hard for the falcon to make mid-flight adjustments to its trajectory. In all, its a gamble of a dive, and the falcon surely has better options…

Studying the aerial dynamics of birds is not easy, especially when these dynamics involve speeds of an F1 car in full throttle, moving through air. Evaluating if an attack strategy is optimal is also complicated because each strategy is motivated by a variety of shifting factors working together.

As a result, scientists switched to using computer simulations to understand why peregrine falcons perform their boltlike dives. Their working question: does the stoop increase the odds of successfully catching prey?

According to a recently published study, the answer is ‘yes’.

When confronted with agile prey, the peregrine falcon goes for a high-altitude swoop because that’s indeed the best mode of attack. The researchers coupled the individual flight mechanics of the falcon to a navigation system, and tried to find the conditions in which a stoop attack offered unique advantages, and why.

The birds known as starlings (of the murmurations fame) have three flight trajectories: straight line flight, smooth curving and jerky turns. These courses broadly correspond to actual paths many birds are known to follow. The peregrine falcon has to design its stoop such that it catches these birds when as they’re performing one of these three moves.

In their simulations, the scientists modelled the way a falcon corrected its stoop while hurtling through the air along the laws used by guided missiles to maintain their fix on targets. This choice was inspired by the results of a study published last year, when different scientists had attached camera and GPS devices on falcons and found that their trajectory was quite similar to the path followed by visually guided missiles. In these exercises, they found that a single number called the ‘navigation constant’ was able to dictate how the falcon would compensate for its prey’s motion.

In the current study, the researchers picked one starling flight strategy at a time and ran simulations for different stoop altitudes, angles of attack and navigation constants. Across millions of simulations, they were able to distill the complex predator-prey dynamics of an actual starling-falcon system to a set of just three parameters.

At low speed, the falcon is outsmarted by the starling because the latter are better able to steer their bodies and execute tighter turns. At a high speed, however, the falcon kills it. When the starling flies in a straight line, the falcon is better off diving from low heights. As soon as the starlings begin to move around a bit, the falcon has to increase its diving height to achieve a high catch-success rate.

When the starlings start to move jerkily, in seemingly abrupt ways, the most successful strategy for the falcon is to dive from a height of almost 5,000 feet (1.5 km) – a high-power stoop in which the falcon almost reaches its maximum possible speed at the point of interception.

The high speed achieved during this death-dive gives the falcon a distinct aerodynamic advantage: the falcon is able to roll with higher acceleration and outmanoeuvre the starlings. It also has more leeway to sacrifice speed for a lifting force, allowing it to steer into tighter turns.

In sum, while the stoop puts pressure on the falcon to get its vision and flight control right, it also gives the falcon more time to respond to changes in its prey’s path. The study’s authors claim that for a fixed navigation constant (close to the empirically deduced value for missile systems), the stoop becomes the best way to attack a maneuvering prey.

Even though the simulations used in the study represented an idealised picture of an interaction between predator and prey, they have revealed previously hidden insights into why aerial predators adopt risky, challenging attack strategies when easier options seem to exist.

Apart from behavioral and environmental conditions that influence predation, there is a clear physical basis for the peregrine falcon’s dives. And these revelations have emerged from an analysis almost completely bereft of biological considerations.

Ronak Gupta recently completed his masters in fluid mechanics from the Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Bangalore. He writes about all things science.


Assista o vídeo: Conheça a harpia, uma das maiores aves de rapina do mundo (Outubro 2022).