Як літають комахи; Дивовижна наука
Хоча видовище менш величне, це слід визнати комахи навіть сильніші за птахів, Доказом цього є труднощі лову мух або роздавлення комарів.
І все ж якщо ми звертаємося до класичних законів аеродинаміки, комахи не повинні мати можливості літати! Якщо їм все-таки вдається це зробити, це тому, що їх політ базується на фізичних принципах, зовсім інших, ніж ті, що керують Airbus або вороною.
Політ комах
Багато в чому комах можна розглядати як справжніх володарів планети. Існує кілька мільйонів видів, і на Землі є близько \ (10 ^ \) комах, або мільярд комах на кожну людину (уявіть їх у своєму ліжку) [1].
Їх здатність літати, безумовно, не чужа для цього величезного еволюційного успіху: політ дозволяє комахам, звичайно, поширюватися, але також знаходити їжу, захищатися і навіть спілкуватися чи судітися.
Ми часто забуваємо, що комахи були першими тваринами, які полетіли, приблизно 350 мільйонів років тому. Після них лише три інші групи - птерозаври, кажани та птахи - досягли цього самостійно. Але ніхто не опановує польотом так добре, як комахи, здатні на такі подвиги, як підняття еквівалента їх ваги, або виконувати стаціонарні польоти бездоганна, на яку не здатні птахи.
Але найдивовижніше в цьому - те, що теоретично комахи не повинні мати можливості літати! Якщо ми застосуємо закони, що пояснюють політ птахів або літаків до них, ми виявимо, що вони навіть не повинні мати можливості залишатися в повітрі. Щоб зрозуміти політ комах, необхідно апелювати до нових принципів, відмінних від тих, що застосовуються в класичній повітроплаванні.
Як літає літак ?
Перш ніж переходити до складного випадку комахи, давайте розглянемо пояснення, яке зазвичай дається, щоб пояснити спосіб польоту літаків.
Коли крило літака рухається, повітряний потік через нього розділяється на дві складові, і повітря, що тече над крилом, має вищу швидкість, ніж тече внизу. Це створює депресія, що викликає силу на крило, вертикально спрямована складова якого називається зношеність. Саме підйомник дозволяє літаку залишатися піднятим і протистояти силі тяжіння.
Важливим параметром у польоті літаків є те, що називається кут атаки (Дивись вище). Як правило, чим вище кут атаки, тим більший підйом. Граючи з орієнтацією літака, ви можете збільшити кут атаки і, отже, підйом. Але є межа! За звичайних форм крил, коли кут атаки досягає близько 15 °, повітря починає неправильно обтікати крило, утворюється турбулентність і підйомник зникає: ми говоримо, що літак піднімається.
Тепер про птахів. Спочатку це може вас здивувати, але вони працюють за тим же принципом! Я бачу, що ти йдеш звідси, ти збираєшся сказати мені: "Так, але птах махає крилами, картопля!" ". Звичайно, але фізичні закони однакові.
Класична аеродинамічна теорія застосовується до крила, розміщеного в рідині, що рухається навколо нього. У випадку з літаком рух простий (переклад), а у випадку з крилами птаха він складніший. Але якщо ви ламаєте рух пташиних крил, щохвилини Ви можете розрахувати швидкість повітря і кут атаки, і визначити отриманий підйом як літак.
Якщо ви не впевнені у подібності між птахами та літаками, подумайте, що для гелікоптера ми можемо зробити точно такий же розрахунок: лопаті - це також крила, приведені в рух по відношенню до повітря (при незмінному русі різні), і які генерують підйомник, який можна розрахувати за тими ж законами.
Чому (теоретично) комахи не можуть літати
Щоб побачити, чи застосовується класична теорія також до комах, ви можете подивитися на рух їх крил і розрахувати підйом, який ви отримуєте, так само, як і птах. Перше, що дивує, комахи часто мають 4 крила і, як правило, махають ними взад і вперед а не вгору і вниз. На кожному кінці траєкторії вони обертають крила, як показано на маленькій схемі нижче:
Тоді вас має вразити одне в цій схемі: кут атаки. У комах вона зазвичай становить від 25 до 45 °. Як я вже казав вам вище, такі високі кути атаки абсолютно несумісні зі звичайним польотом: вони генерують турбулентність, яка руйнує підйомник і спричиняє зрив. Висновок: бачимо, як вони це роблять, комахи не повинні мати можливості літати. І все ж ... вони туди потрапляють! Тож є що зрозуміти.
Скорботні духи можуть задатися питанням, який інтерес викликає вивчення польоту мух та інших бабок. І все ж це захоплююча загадка! Минуло тисячі років, щоб люди створили підйом, як це робили птахи, і тепер ми виявляємо, що існує інший спосіб це зробити !
Щоб краще зрозуміти політ комах, вчені вдалися до цілого ряду технік: спостереження за мухами, прикріпленими дротом, за допомогою високошвидкісних камер, розміщення крил комах у міні-аеродинамічних трубах тощо. Але одним з найефективніших методів було зробити великомасштабні моделі комах.
Як зробити модель комах ?
За допомогою мікроскопів та високошвидкісних камер досить легко спостерігати за комахою, щоб відтворити велику модель, яка точно відтворює її анатомію та рухи крил. Але для розуміння аеродинамічних явищ цього недостатньо. І причина називається число Рейнольдса.
Я мав нагоду писати допис про номер Рейнольдса раніше, але я повторю тут основні моменти. Коли рідина тече, вона може робити це спокійно і впорядковано (як масло, що виходить із горловини пляшки), або турбулентно, як вода річки навколо стеків мосту. Щоб знати, в якій із двох ситуацій ми перебуваємо, ми можемо обчислити число Рейнольдса, яке отримують за формулою
Чим вище число Рейнольдса, тим турбулентніший потік. Для літака це близько декількох мільйонів, тоді як для комахи це буде приблизно 1000. З точки зору механіки рідини, це дві дуже різні ситуації! Мораль історії: якщо ви хочете зрозуміти аеродинаміку комах, зробивши модель, вона повинна бути те саме число Рейнольдса, що і вихідна комаха.
Дотримуйтесь формули: якщо ваша модель набагато більша за комаху, необхідно зменшити швидкість та/або збільшити в'язкість, щоб експеримент був репрезентативним. Так створила команда Майкла Дікінсона в Берклі Robofly: модель 60-сантиметрового розмаху крил (навпроти), але биття крилами дуже повільно - кожні 5 секунд - і купання у дуже в’язкому маслі [2]. Саме завдяки зменшенню швидкості крил і збільшенню в’язкості рідини вони змогли створити модель, яка репрезентує політ комах (тобто з порівнянним числом Рейнольдса), і таким чином зрозуміти явища в грі.
Секрет тимчасових ефектів
Завдяки масштабним моделям, таким як Robofly, дослідникам вдалося видалити деякі таємниці навколо польоту комах. Перший із цих ефектів називається затримка відсіву. Я вже казав вам, що при кутах атаки 25-45 ° крила комах повинні викликати зрив. Але те, що дослідники виявили, полягає в тому, що для комах цей стійло не встигає повністю відбутися, і навіть це допомагає їм підняти силу.
Це насправді явище, яке, мабуть, було відомо літакам з 1930-х рр. Коли виникає зрив, на краю крила утворюється вихор, який дуже швидко обривається, спричиняючи втрату підйому. Але ненадовго, повітря, що рухається вихором у швидкому русі, спричиняє тимчасову депресію, яка забезпечує невеликий приріст підйому.
Для літака неможливо використати це явище, оскільки воно занадто швидке, але в масштабі комахи воно працює завдяки частоті махання крилами. В основному, постійно потрапляючи в стійловий стан, комаха встигає зібрати всі ці маленькі бонуси за підйом, що дозволяє йому залишатися в повітрі.
З тих пір було виділено інші тимчасові явища того ж типу, і вони стосуються ролі обертання крил (що також забезпечує підйом) і руху вперед-назад, що дозволило б комасі переробити. Власна турбулентність допомогла він підтримує себе [2].
Завдяки відкриттю цих принципів тепер можна виробляти мініатюрні роботи, функціонування яких все більше і більше схоже на функціонування наших друзів комах [3]. Можна легко уявити застосування цього виду технологій з точки зору порятунку, розвідки, але, звичайно, більш-менш стриманого спостереження ...
Пов’язані квитки, тут чи деінде ...
- Мій допис про номер Рейнольдса, щоб трохи більше знати з цього питання
- Рівняння Нав'є-Стокса, або чому механіка рідини важка
- Пост від Таупо в блозі SSAFT, який розповідає нам про різні засоби руху комах (з великою кількістю відеороликів про їхній політ)
- Допис у перекладі доктора Гоулу про життя при низькій кількості Рейнольдса (більше бактерій плаває, ніж комах, які літають)
Для подальшого
Першим пунктом, що йде далі, підйом крил літака виходить з того, що повітря циркулює з більшою швидкістю у верхній частині крила, ніж під нижньою стороною крила. Іноді ми чуємо, що це пов’язано з тим, що повітря повинен забирати один і той же час зверху і знизу, а отже, він повинен йти швидше, оскільки шлях довший згори. Ну це неправильно! Загалом, немає причин, щоб час транзиту повітря був однаковим на обох шляхах. І навіть більшу частину часу це швидше згори! Це видно з анімації нижче, де ми бачимо, що повітря, що пройшов вище, надходить далеко попереду повітря, пропущеного внизу.
Для любителів польоту комах нещодавня стаття в Science [4] показала, що, щоб уникнути загрози, вони використовують рухи, не схожі на рухи мисливців. Щоб змінити напрямок в нормальній ситуації, комахи використовують явище похитування: обертання навколо вертикальної осі. Це те, що роблять літаки, діючи на кермо.
Але під загрозою вони можуть змінити напрямок за мілісекунди, використовуючи комбінацію крену і кроку. З таким видом маневру Top Gun не дивно, що ви не можете їх зловити !
Список літератури
[1] Поширені запитання про ентомологічне суспільство Америки
[2] Дікінсон, Майкл. “Розгадка таємниці польоту комах. " Науковий американський 284,6 (2001): 48-57.
[3] Девід Лентінк, Біоміметика: Політ як муха, Nature 498, 306–307 (2013)
[4] Флоріан Т. Муйрес та ін., Мухи ухиляються від насунутих цілей, виконуючи швидкі візуально спрямовані повороти, Science 344, 172 (2014)