Забудьте про культовый фильм «Змеиный полет». Настоящим летающим змеям не нужны самолеты.

Парящие змеи – отнюдь не мифологические существа, а настоящие змеи, которые могут пролетать значительные расстояния. Живут они в тропических лесах Индии и Юго-Восточной Азии. Даже для ученых летающие змеи все еще являются загадкой.

Каким образом эти существа могут лететь так далеко? И как можно изучить их необычное поведение без путешествий в далекие уголки земли?

Ответить на эти вопросы помогает ускоренная на GPU компьютерная модель, которая впервые используется для изучения аэродинамических свойств феномена летающих змей.

Лорена Барба, профессор-адъюнкт по механической и авиационно-космической технике при Университете Джорджа Вашингтона в штате Вашингтон, возглавляет команду, которая занимается моделированием аэродинамических свойств летающих змей с помощью разработанного в стенах университета приложения по вычислительной гидродинамике (CFD) и графического ускорителя Tesla K20.

Сегодня летающие змеи. Завтра - летающие роботы?

Ученые часто находят вдохновение у природы, когда нужно решить задачи механического мира. В случае летающих змей решение природы выглядит очень элегантным. Чтобы убежать от хищника, найти пищу или просто перескочить с одного места на другое, змеи могут пролететь до 21 метра!

Команда Лорены Барбы не только в точности смоделировала аэродинамику летающих змей – ее работу можно применять и для разработок в других областях. Например, для создания футуристических “летательных микроаппаратов” – крошечных летающих роботов размером с насекомое, которых можно использовать в коммерческих, научных и военных областях.

Ярко-зеленая с оранжевыми акцентами змея Chrysopelea paradis, которая также известна как украшенная древесная змея, является превосходным пилотом. Эта метровая ядовитая змея не только перелетает на длинные расстояния, но и может менять курс прямо в полете.

Змеи начинают свой полет с веток деревьев. Сорвавшись с дерева, чтобы увеличить площадь тела, путем вращения ребер они сплющивают свое тело. Во время полета сплюснутое тело движется зигзагообразно, что и позволяет змеям парить.

Наблюдать за ними очень интересно:

Ускоренная на GPU гидродинамическая модель проливает свет на подъемную силу

При подготовке к своему исследованию Лорена Барба интересовалась преимущественно одним, наиболее интригующим аспектом летательных способностей этих змей.

Как показал эксперимент в воздушном туннеле с моделями тела змеи, при определенном угле атаки (траектория змеи по отношению к потоку воздуха) возникает определенное увеличение подъемной силы. Неясно, используют ли эту подъемную силу змеи в природе, но изучение этого аспекта могло бы быть интересно для дальнейших исследований.

Chrysopelea paradisi, также известная как украшенная древесная змея, - отличный пилот.

С помощью ускоренного на GPU метода моделирования вычислительной гидродинамики, который часто применяют для изучения взаимодействия воздушных потоков с самолетами, автомобилями и другими транспортными средствами, команда Лорены Барбы разработала собственную модель и подтвердила, что оптимальная аэродинамическая подъемная сила возникает при угле атаки в 35 градусов.

Кроме того, компьютерные симуляции позволили ученым менять скорость и угол атаки и наблюдать за вращением воздушного потока, что абсолютно невозможно в условиях живого эксперимента.

Следующий шаг - летающие змеи в 3D!

Команда Лорены Барбы тщательно изучила аэродинамику летающих змей с помощью всего лишь одного ускорителя Tesla, установленном в обычном настольном компьютере.

В настоящий момент ученые работают с 2D-сечением тела змеи, поэтому Лорена планирует добавить еще несколько графических процессоров, чтобы создавать сложные 3D-модели всего тела и выяснить, почему эти змеи летают так здорово.

Сейчас Лорена привлекает других ученых для совместной работы. Приложение вычислительной гидродинамики, скрипты и данные, необходимые для воспроизведения экспериментов, находятся в свободном доступе.

Хотите узнать больше о летающих змеях и GPU? Посетите стенд NVIDIA (#613) на конференции Supercomputing 2013 (SC13) в Дэнвере, чтобы послушать презентацию профессора Барбы.

Не собираетесь на SC13? Не проблема. Все презентации со стенда NVIDIA будут транслироваться в режиме онлайн на странице SC13 на сайте NVIDIA. Ознакомиться с материалами профессора Барбы можно здесь.