Some of the smallest flying insects, Thysanoptera and Mymaridae, have peculiar configuration of wings referred to as "bristled wing". Previous studies focused on aerodynamic characteristics of bristled wing, originating from its unusual configuration acting in low-Reynolds-number regime of the order of 10 or less. Interestingly, tiny insects possessing the bristled wings have been reported to perform a parachuting, one of passive flight modes. However, although numerous researches investigated the free fall motions of objects, such as disks, the dynamics of bristled wings during parachuting and their effects on how falling motion is stabilized have not been studied yet. In this study, we experimentally examine the motion stabilization of a freely falling bristled disk in a wide range of Reynolds numbers by changing the number of bristles and initial falling angles, and compare with that of a full circular disk without bristles. Our experiments show that both terminal velocities and flow fields of bristled disks are similar to those of a circular disk at the steady state of falling, as expected. However, at the initial transient phase, bristled disks show notably different falling motions from the full disk. While a full disk undergoes large disturbances in its planar and angular movements, a bristled disk shows more stable motions explicitly, regardless of Reynolds numbers or initial falling angles. By observing flow fields around the falling disks, we explain mechanisms underlying the differences in motion stabilization: symmetry of vortical structure and distances of vortices from the center of disk.
총채벌레목과 같은 매우 작은 비행하는 곤충들은 강모날개라고 불리는 특이한 형상의 날개를 갖는다. 선행 연구들은 매우 낮은 레이놀즈 수에서 활동하는 강모날개의 비행역학적 특성을 연구해왔다. 흥미롭게도 강모날개를 갖는 매우 작은 곤충들은 날개를 움직이지 않는 수동적 비행의 한 종류인 강하 비행을 한다고 알려져있다. 원반 등의 물체를 이용하여 자유 낙하에서의 움직임에 관해 수많은 연구가 진행되어 있는데에 반해, 강하 비행하는 강모날개의 역학적 특성이나 그 움직임이 어떻게 안정되는지는 연구된 바 없다. 본 연구에서는 강모의 갯수와 초기 낙하 각도를 바꿔가며 강모 형태 원반의 자유낙하 움직임이 어떻게 안정되는지 넓은 레이놀즈 수 범위에서 평가하고, 이를 강모가 없는 둥근 원반의 움직임과 비교한다. 이전 문헌들을 통해 예상했듯 정상 상태에서는 종단 속도와 유동장을 통해 강모 원반이 둥근 원반과 비슷한 거동을 보인다. 하지만 초기 발달 단계에서는 강모 원반이 둥근 원반과 명백히 다른 움직임을 보인다. 둥근 원반은 평면적인 움직임이나 각도의 변화에 있어 큰 불안정성을 보이지만, 강모 원반은 레이놀즈 수나 초기 낙하 각도에 상관없이 명백히 더 안정적으로 움직인다. 본 연구진은 유동장을 분석함으로써 와류 구조의 대칭성과 원반의 중심으로부터 와류까지의 거리, 두 메커니즘에 의해 원반들이 서로 다른 안정화를 보임을 설명한다.
