Análisis Dinámico y Optimización del Diseño de un Nadador Vibratorio Basado en Arrastre
Autores: Tahmasian, Sevak; Jafaryzad, Arsam; Bulzoni, Nicolas L.; Staples, Anne E.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Análisis Dinámico y Optimización del Diseño de un Nadador Vibratorio Basado en Arrastre
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Organismos
Locomoción
Análisis dinámico
Optimización del diseño
Nadador
Fuerzas hidrodinámicas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Muchos organismos logran locomoción a través de movimientos recíprocos. Este artículo presenta el análisis dinámico y la optimización del diseño de un nadador vibratorio con fuerzas de arrastre asimétricas y masa añadida de fluido. El nadador consiste en un cuerpo flotante con una masa oscilante en su interior. Las oscilaciones unidimensionales de la masa hacen que el cuerpo oscile con la misma frecuencia que la masa. Una aleta rígida asimétrica unida a la parte inferior del cuerpo genera fuerzas hidrodinámicas asimétricas, que impulsan al nadador hacia atrás o hacia adelante en promedio, dependiendo de la orientación de la aleta. La ecuación de movimiento del sistema es una ecuación diferencial periódica en el tiempo y de suavidad por partes. Utilizamos simulaciones para determinar las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre la aleta y técnicas de promediado para determinar la respuesta dinámica del nadador. Los resultados analíticos se encuentran en buena concordancia con los experimentos de prototipos de nadadores vibratorios. Encontramos que la velocidad unidireccional promedio del nadador se optimiza si se minimiza la relación de los coeficientes de arrastre hacia adelante y hacia atrás. El análisis presentado aquí puede ayudar en el diseño y la optimización de nadadores robóticos bioinspirados y biomiméticos. Un nadador vibratorio a escala microscópica controlado magnéticamente como el descrito aquí podría tener aplicaciones en la entrega dirigida de medicamentos.
Descripción
Muchos organismos logran locomoción a través de movimientos recíprocos. Este artículo presenta el análisis dinámico y la optimización del diseño de un nadador vibratorio con fuerzas de arrastre asimétricas y masa añadida de fluido. El nadador consiste en un cuerpo flotante con una masa oscilante en su interior. Las oscilaciones unidimensionales de la masa hacen que el cuerpo oscile con la misma frecuencia que la masa. Una aleta rígida asimétrica unida a la parte inferior del cuerpo genera fuerzas hidrodinámicas asimétricas, que impulsan al nadador hacia atrás o hacia adelante en promedio, dependiendo de la orientación de la aleta. La ecuación de movimiento del sistema es una ecuación diferencial periódica en el tiempo y de suavidad por partes. Utilizamos simulaciones para determinar las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre la aleta y técnicas de promediado para determinar la respuesta dinámica del nadador. Los resultados analíticos se encuentran en buena concordancia con los experimentos de prototipos de nadadores vibratorios. Encontramos que la velocidad unidireccional promedio del nadador se optimiza si se minimiza la relación de los coeficientes de arrastre hacia adelante y hacia atrás. El análisis presentado aquí puede ayudar en el diseño y la optimización de nadadores robóticos bioinspirados y biomiméticos. Un nadador vibratorio a escala microscópica controlado magnéticamente como el descrito aquí podría tener aplicaciones en la entrega dirigida de medicamentos.