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王仁力学讲座 | 孙茂教授介绍昆虫的飞行力学:动稳定性与控制

2018-02-02  862

 

2018年1月5日,北京大学工学院力学与工程科学系“王仁力学讲座”邀请到曾任北京航空航天大学流体力学研究所所长、流体力学教育部重点实验室主任的孙茂教授作为主讲人。

讲座由北京大学工学院力学与工程科学系副系主任肖左利研究员主持。力学系段慧玲魏悦广荣起国史一蓬、陈军等老师及百余名研究生一起出席了讲座。此外,兄弟高校的多位学者和学生也出席了讲座。


孙茂教授作报告

孙茂教授首先从“昆虫与空气相互作用的力学问题”谈起,其分为“空气动力学”和“飞行动力学”两个方面。随后,孙茂教授对飞行力学的研究基础:运动学—翅膀的拍动运动;空气动力学—拍动翼的高升力机理,进行了简单的回顾与介绍。而后孙教授对“支配方程”、“Floquet理论”、“直接数值模拟;理论的验证;非线性系统”等方面进行了详细的阐释。最后得出结论:昆虫的拍动飞行是(固有)不稳定的;导出的特征值的解析表达式解释了产生不稳定的物理原因。昆虫的飞行虽然是不稳定的,但是,是可控的。

通过以上内容,孙茂教授分析了昆虫飞行的动稳定性和可控性及相关的动力学和流体动力学机理,解释了昆虫既能稳定飞行,同时机动性又好的原因:(1)进行实验观测,建立昆虫的动力学模型; 推导了运动方程,其与流体力学方程一起,构成昆虫运动的基本方程组。(2)用Floquet理论分析了典型昆虫飞行的周期解稳定性,揭示了昆虫飞行存在两个不稳定模态,因而是动不稳定的。因特征方程无纯虚根,线化理论得到的“飞行是动不稳定的”的结论适用于非线性系统。(3)将运动方程在小时间尺度上平均,周期解的稳定性问题变为平衡点的稳定性问题;导出了特征值的近似解析表达式,清楚地解释了各特征模态的物理成因。(4)进行实验观测,确定了昆虫的控制变量; 在运动方程中加入表示控制力和力矩的项;用模态分析方法研究了飞行的可控性问题,得出结果。


报告吸引了众多师生到场

讲座结束后,在场师生向孙茂教授提问,就报告相关内容进行了热烈的交流和讨论。最后,力学与工程科学系副系主任肖左利研究员向孙茂教授赠送了带有“王仁力学讲座”LOGO的特制纪念品,表示纪念和谢意。


肖左利研究员向孙茂教授赠送“王仁力学讲座”纪念品
 
新闻小贴士


1.    报告人简介:
孙茂,北京航空学院毕业(1978)、北航硕士研究生(78-79)、美国普林斯顿大学航空系博士(1983)、美国马里兰大学航空系博士后(1985)。北京航空航天大学教授(1989)、博士生导师(1993)。国家杰出青年基金获得者(1997),“长江学者”(2000)。长期从事动物飞行的生物力学研究,在昆虫飞行的空气动力学和飞行动力学领域做出了系统的创新成果。研究成果使人们对自然界飞行的认识取得重要进展;被用于昆虫比较生理学/神经生物学研究和微型飞行器研制。曾应邀在国际顶尖综述刊物《现代物理评论》上发表昆虫飞行力学的长篇综述论文。被著名刊物 J. Exp. Biol.三次撰文介绍。2014以来连续入选爱斯维尔高引学者。获教育部自然科学一等奖、国家自然科学二等奖。

2.王仁力学讲座:
王仁先生是我国著名的力学家、地球动力学家和教育家,为我国塑性力学和地球构造动力学的发展做出了奠基性和开拓性贡献,其相关研究成果在国内外产生了很大影响,是我国将力学与地质学、地球物理学相结合的先驱。
为了纪念王仁先生,将他的学术思想发扬光大,经王仁先生家属同意,北京大学工学院力学与工程科学系决定设立"王仁力学讲座",诚邀国内外在力学领域及力学相关的自然科学与工程科学领域取得卓越成就的知名学者来访,同北大师生分享上述领域的前沿及热点问题,激发学生的研究兴趣,促进多学科交叉融合。
"王仁力学讲座"已被列为北京大学工学院力学与工程科学系研究生必修课,将为力学系师生及力学界同仁提供一个"思想自由、兼容并包"的学术交流平台。