Як комахи літають за науку
Дрібні тварини практикуються в польоті, але не як птахи. А їх крила описують тип руху, який залежить від розміру комахи.
Рухи крил відносно великих комах, таких як кормові мухи, під час польоту відрізняються від рухів менш помітних комах, таких як дрібні комарі.
Весна підходить до кінця, і сади оживають повітряними балетами кормових комах, а також часом хитрими маневрами небажаних комарів. Спостереження за польотом комах завжди вражає: зліт у зворотному польоті, посадка на тильну сторону листа, зависання або пілотаж усіх видів ... Їх неперевершена повітряна дія довгий час залишалася незрозумілою через їх невеликі розміри (та їх відмову співпрацювати…). Потрібно було розробити методи обробки зображень та обчислень, щоб поступово зрозуміти, як комахи літають. Несподіванка: численні механізми сприяють їх утриманню, і для одного і того ж типу комах рухи їх крил змінюються залежно від розміру виду.
У вертолітному режимі ?
Для польоту комахам потрібна сила, щоб компенсувати свою вагу, і поштовх для руху вперед. Оскільки у них немає ні гвинтів, ні реакторів, вони створюють ці сили, махаючи крилами вперед-назад: вони більше схожі на вертоліт з рухомими лопатями (крилами), ніж на літак.
Можна спробувати розрахувати аеродинамічну силу, що діє на крило комахи, як це було б для крила літака, трохи нахиленого від горизонталі. Вона пропорційна квадрату швидкості (тут крило рухається в нерухомому повітрі) і розпадається на силу, протилежну швидкості, опору та іншому перпендикуляру, підйому. Щоб підйомник компенсував вагу, кут між площиною крила і напрямком переміщення повинен бути завжди в одному напрямку, що передбачає, що крило змінює свій нахил, коли його зміщення змінює напрямок (спереду назад, або навпаки): ці швидкі обертання крила, які насправді спостерігаються у комах, називаються "супінацією" і "пронацією".
У більшості випадків у комах крила виконують рух вперед-назад, з нахилом, який досить різко нахиляється, коли цей рух змінює напрямок («супінація», коли крило повертається вперед, «пронація, коли вона повертається назад). Рух крила відбувається приблизно в площині для великих комах розміром з бджолу. Для значно менших комах (праворуч) сили підйому через повітряні вихори, створені крилами в цій конфігурації, недостатні. На етапі повернення ці комахи висувають крила вниз, що призводить до майже вертикального опору і, таким чином, сприяє підняттю.
Більше того, оскільки вага зростає із збільшенням обсягу комахи, а підйом як площа крил, ми можемо підрахувати, що швидкість перекладу крил зростає із збільшенням квадратного кореня характерного розміру комахи, тому що частота ударів, яка відображає співвідношення швидкість/розмір, змінюється як обернена до цього квадратного кореня.
Цей результат йде в правильному напрямку: у вусі ми чітко можемо відрізнити дрібних комах, таких як комарі або мошки, від більших, таких як медоносні бджоли, оскільки перші махають крилами з більшою частотою, тому видають звуки вищого звуку., до 1 кілогерц. Нарешті, ми розуміємо, що якщо комаха змінює нахил свого крила між зовнішнім та зворотним напрямками, воно може змінити значення опору назовні та повернутися назад, щоб замість того, щоб компенсувати себе та дозволити зависання, цикл усереднення забезпечує тягу вперед (або назад). І порушуючи симетрію рухів крил по обидві сторони тіла, воно може повертати ліворуч або праворуч.
Насправді, «авіаційний» підхід, прийнятий вище, насправді не підходить для комах. Насправді під час закрилок як швидкість крила, так і його нахил постійно змінюються. Отже, аеродинамічна сила не є постійною протягом кожної фази. Тепер, якщо ми розрахуємо миттєву силу, подібну до сили, яку генерує крило літака з однаковою швидкістю та нахилом, і якщо взяти середнє значення, враховуючи реальний рух крила комахи, ми виявимо, що сила підйому втричі менша за вагу !
Вихори та прагнення
Звідки такий розрив? Як і для будь-якого потоку рідини, корисно порівняти взаємозв'язок між силами інерції, пов'язаними з рухом рідини, та силами в'язкості, пов'язаними з тертям шарів рідини між ними. Цей коефіцієнт вимірюється "числом Рейнольдса". Для комах вона коливається між 10, для найменших та 1000, для найбільших. Це далеко від цифр Рейнольдса, характерних для авіалайнера (близько 100 мільйонів) або плавця у воді (близько мільйона). В основному, випадок комах відповідає випадку плавця, який розвивається в надзвичайно в'язкому маслі ...
У цьому реєстрі значень повітряний потік навколо крил не турбулентний, але залежність між аеродинамічною силою і швидкістю не є прямолінійною. Ще більш принципово, що рухи крила настільки швидкі, що ми дуже далекі від ситуації нерухомого потоку, коли об’єкт рухається з постійною швидкістю відносно рідини. Потрібні були роки, щоб фізики підвели підсумки впливу різної аеродинамічної сили під час циклу махання крилами, включаючи роботу над правильно масштабованими макетами з тим самим числом Рейнольдса.
Простіше кажучи, більшість ефектів походить від появи тимчасових вихорів у різних фазах. Це трапляється, наприклад, коли крило перевертається між кожним напівбиттям: обертання приводить у рух навколишню в’язку рідину.
Більш дивно, що комахи використовують переваги явища, добре відомого аеронавігаційним інженерам: затримки стійла. Ми бачимо, що нахил їх крил (між 20 ° і 40 °) помітно вище, ніж у крила літака: він навіть виходить за кут зриву. Однак, коли ви перевищуєте цей кут, вихор утворюється над і за передньою кромкою крила. Зазвичай його швидко евакуюють за крилом, але тут він не встигає. Нарешті, дослідники виявили, що крило взаємодіяло з вихором, що створюється попереднім ударом. Кожного разу, як у торнадо, потік повітря у цих вихорах дуже швидкий, а тиск дуже низький. Це спричиняє всмоктувально-всмоктувальні ефекти на крило, які в середньому збільшують силу підйому.
Останнє ускладнення, для найменших комах вплив сил в’язкості посилюється. Але в'язкість і вихори не змішуються. Вихр у маслі розсіюється набагато швидше, ніж у воді. Наслідок: вихори, про які ми щойно говорили, виробляють менш інтенсивні сили для дрібних комах, ніж для великих, і, отже, більше не дозволять компенсувати їх вагу.
Ось чому у маленьких комах є інший спосіб польоту: замість того, щоб утримувати рух крила в горизонтальній площині, під час фази повернення, коли крила йдуть назад, вони сильно проектують їх вниз, як якщо б вони спиралися на повітря. Під час цієї фази волочіння майже вертикальне і, отже, на відміну від великих комах, сприяє харчуванню.
Зрештою, для найменших комах виходить новий режим польоту: "хлопай і кидай". У цьому випадку комаха стукає передні краї крил вертикально один про одного в кінці фази повернення: це «плескання». Це різко штовхає повітря вниз і, отже, викликає тягу вгору. Негайно комаха знову розкриває крила і кидає їх вниз, обертаючи навколо своїх задніх країв: це «кидок». Цей отвір тягне повітря вниз, створюючи западину над крилом, що збільшує силу підйому.
Очевидно, що махання крилами, як при увазі високої частоти, може пошкодити їх. Ось чому деякі комахи виконують лише неповну послідовність таких маневрів.
Хлопання і кидання. Дуже маленькі комахи махають крилами послідовно, відкриваючи і закриваючи їх, орієнтуючи тіло вертикально. Рух повітря вниз або його всмоктування зверху (сині стрілки) сприяє підйому.