Політ комах Для науки
Політ пасучих комах виникає внаслідок поєднання аеродинамічних ефектів, висвітлених моделлю із застосуванням законів подібності.
У 1934 р. У вступі до своєї книги "Le vol des Insectes" ентомолог Антуан Маньян писав: "Перш за все, керуючись тим, що робиться в авіації, я застосував до комах закони опору повітря. Повітря, і я прийшов зі своїм помічника Андре Сент-Лагю до висновку, що їх політ неможливий ". Цей поспішний висновок, ймовірно, базувався на тому, що теоретичний максимальний підйом крил безпілотника нижчий за його вагу.
Підйом - це сила, яка діє на тіло, перпендикулярно напрямку руху або потоку, в якому воно занурене. Цей підйом зазвичай розраховується для крила літака: вигнута форма крила вимагає, щоб швидкість повітряного потоку над його верхньою частиною була більшою, ніж уздовж нижньої частини. Згідно з принципом, відкритим Даніелем Бернуллі в 18 столітті, збільшення швидкості рідини супроводжується зниженням тиску: тиск, що знаходиться під крилом, більшим, ніж вище, тяга спрацьовує вгору (див. Рисунок 6 ).
З 1934 року інженери та математики досягли прогресу та набули достатніх знань для розробки крил літальних апаратів, необхідних для перевезення сотень пасажирів, таких як Airbus A380. Конструкція цих літаків базується на принципі стаціонарності, згідно з якою повітряний потік навколо крил і результуючі сили стабільні з часом.
Це не так з комахами, політ яких довгий час залишався загадкою, оскільки ці тварини махають і повертають крила від 20 до 600 разів на секунду. Аеродинамічні сили та потоки повітря постійно змінюються і ускладнюють аналіз, математику та експерименти.
Щоб зрозуміти фізику зависаючого польоту мухи, ми розробили експериментальну установку (див. Малюнок 3). У резервуар на дві тонни нафти м'яко б'є пару крил шириною 60 сантиметрів. Керовані шістьма двигунами, керованими комп’ютером, крила перемішують рідину і створюють рух, виявлений мільйонами бульбашок повітря, впорскуваних в бак. Ціле освітлюється променями лазерного світла і знімається відеокамерами, тоді як датчики постійно реєструють сили, що діють на крила.
Завдяки механічному комахові, що імітує рухи крил зі швидкістю в 1000 разів повільнішою та в масштабі в 100 разів більшою, ми зрозуміли, як муха використовує вихори, затримку зриву, циркуляцію повітря навколо крил та захоплення хвилі. Давайте детально розберемо ці явища, які надають комахам таку легкість у польоті.
Шелест крил
Крила рухомих комах найчастіше виглядають у вигляді розмитого зображення, тому політ комах нічим не схожий на літак літаків. Крила комахи не оживляються простими вертикальними коливаннями: кінець кожного крила простежує сильно похилу овальну криву. Крім того, крила змінюють орієнтацію з кожним стулком: верхня грань крила орієнтована вгору, коли крило опущено, і вниз, коли воно підняте.
Перші спроби аналізу польоту комах застосовували до цих складних рухів закони стаціонарної аеродинаміки, закони, які зазвичай застосовуються в аеронавтиці. Однак ці підходи були менш наївними, ніж той, який привів до перших розрахунків польоту безпілотника, оскільки вони враховували коливання швидкості крил з часом.
Уявіть, що ми заморожуємо крило комахи в кожному з послідовних положень, яке воно займає під час удару, що ми відтворюємо у аеродинамічній трубі потік, що відповідає кожному з його положень, і що ми вимірюємо відповідний підйом. Якби стаціонарна теорія була правильною, середня сила, обчислена додаванням сил, пов’язаних з усіма положеннями, була б спрямована вгору і дорівнювала б вазі комахи.
Наприкінці 1970-х аеродинаміки сумнівались у доречності цього аналізу, і на початку 1980-х з наявних даних американський фізик Чарльз Еллінгтон дійшов висновку, що стаціонарний підхід не може пояснити задіяні сили. Залишається відкрити нестаціонарні механізми потоку, що регулюють удари крила.
Розподіл швидкостей і тисків у рідині регулюється рівняннями Нав'є-Стокса, що були сформульовані на початку 1800-х рр. У такій рідині з низькою щільністю, як повітря, складний рух крила ускладнює вирішення цих рівнянь навіть з найефективніші комп'ютери.
Обробка даних та теорія безсилі, чи можемо ми виміряти безпосередньо на комаху аеродинамічні сили завдяки ударам? Кілька команд взялися за завдання, але малі розміри та висока швидкість крил ускладнили вимірювання. Крім того, до вимірювань сили, проведених на живих комах, слід ставитися з обережністю, оскільки поведінка тварин у неволі відрізняється від поведінки вільноживучих тварин.
Красуні подоби
Щоб обійти ці труднощі, інженери використовують властивості подібності, завдяки яким ми пов'язуємо потік навколо реального об'єкта з потоком навколо моделі, простіший в обробці та дослідженні у аеродинамічній трубі. Це світ з ніг на голову: поки авіаційні інженери будують масштабні моделі, тим, хто вивчає політ комах, потрібні збільшені моделі.
Затримка відсіву
У 1992 році ми разом з Карлом öотцем з Інституту Макса Планка в Тюбінгені побудували модель крила, що складається з «весла», шириною п’ять сантиметрів і довжиною 20 сантиметрів, підключеного до двигунів та пірнання у великій ванні з цукровим сиропом. Це збільшення розміру та в'язкості у поєднанні зі зменшенням швидкості розмахування дало бурові таке саме число Рейнольдса, як і крила мухи.
Крило було оснащене датчиком, який вимірював підйом і опор, створюваний при русі по в’язкій рідині. На кінці крила ми встановили екрани для придушення потоку вздовж крила і навколо нього: ця стратагема зменшує потік з трьох до двох вимірів і, таким чином, полегшує аналіз (ризикуючи пропустити важливі ефекти).
Наші експерименти запропонували вирішити головоломку комах: затримка стійла. У літаку зрив відбувається, коли кут атаки (кут, який крило робить із напрямком поширення), під яким крило потрапляє в повітря, занадто великий: верхній потік більше не йде за контуром крила, злітає і знімає підйом.
Як стійло, настільки згубне для літака, може принести користь комасі? Відповідь полягає в швидкості махання крилами. Повітряний потік, причина підйому, зникає лише через кілька хвилин після збільшення кута атаки. Більше того, перша фаза стійла трохи збільшує підйом, завдяки короткому вихровому потоку, який називається вихором передньої кромки. Останній являє собою циліндричний потік обертової рідини, що утворюється над і за передньою кромкою крила.
Потік повітря у цьому вихорі дуже швидкий, тому тиск y дуже низький, що значно збільшує підйом. Цей ефект був виявлений британськими інженерами на початку 1930-х років, але він занадто швидкоплинний, щоб використовувати його в аеронавтиці: вихор швидко відривається від крила і зникає вслід за літаком. Однак удари крила комахи настільки короткі, що крило перевертається і обертає напрямок, створюючи новий вихор у зворотному напрямку, відразу після того, як попередній зник.
У середині 90-х років команда Чарльза Еллінгтона розширила ці результати до трьох вимірів. Ці інженери вивчали велику сфінгіда Manduca sexta, нічну метелика, яка живе на тютюнових плантаціях
Антильські острови, а також роботизований метелик. Комаха було підвішено до дроту у аеродинамічній трубі, де політ спостерігається через порушення потоку диму. Смуги диму показали, що вихор утворився на передніх краях крил, коли вони спускалися під час польоту. Інший характерний потік повітря, від основи до кінчика крила, можливо, посилює ефект за рахунок зменшення сили вихру, але підвищення його стійкості, завдяки чому він залишається прикріпленим до крила на час удару крила. Такий потік може бути особливо важливим для великих комах, таких як бабки, де величина удару крила важлива.
Відкриття затримки стійла пояснює лише частину польоту комах: наприклад, ні
радує, скільки комах виробляє підйом майже вдвічі більший за вагу.
Тому інші механізми польоту комах залишалися відкритими. У 1998 році ми побудували модель дрозофіли з крилами довжиною 25 сантиметрів. У нафті робот махає крилами кожні п’ять секунд: у таких умовах цей ритм еквівалентний биттю крил дрозофіли довжиною два з половиною міліметри при частоті 200 ударів в секунду в повітрі. Ми виміряли дві властивості: аеродинамічні сили, що діють на крила, і потік рідини навколо них.
Обертання та інші ефекти
На початку і в кінці кожного руху крила створюють інтенсивні сили, що затримка стійла не пояснює. Ці піки сили з’являються, коли крила сповільнюються і швидко обертаються. Обертання предметів у повітрі створює потоки, подібні до тих, що створюють підйом звичайного крила. Наприклад, тенісний м'яч з ефектом розрізу "висмоктує" повітря над собою з більшою швидкістю і, отже, піднімається (див. Рисунок 7). Ми показали, що обертання крила виробляє підйом за тим самим механізмом, зміщуючи момент циклу, коли крило перевертається. Коли повітряний змій перевертається в кінці удару, передній край рухається назад і створює висхідну силу, схожу на кульку
теніс, який крутиться сам на собі (ефект Магнуса). Коли крило перевертається пізніше, на початку наступного клапана, передня кромка рухається вперед щодо напрямку руху: результуюча сила спрямована вниз.
Однак ще один пік висхідних сил був виявлений на початку кожного падіння та підйому крила. Кілька експериментів показали, що цей пік був обумовлений явищем, яке називається захопленням сліду, тобто зіткненням крила з вихором сліду, створеним попереднім ударом.
Кожен хід крила залишає за собою вихор, що складається з вихорів, які він утворив під час свого руху та інверсії під час попереднього циклу. Коли крило змінює напрямок, воно знову перетинає цю турбулентність і таким чином відновлює частину енергії, що міститься в сліді. Ми перевірили це захоплення слідів, зупинивши крила після переміщення крила вперед, потім назад. Нерухомі крила продовжували створювати силу, оскільки навколишня рідина все ще рухалася.
Захоплення будови, ймовірно, відбувається на початку кожного руху, подібно до обертальної циркуляції. Однак муха, безсумнівно, змінює інтенсивність та напрямок сили відповідно до моменту інверсії крила. Коли повітряний змій рано перевертається, він має сприятливий кут атаки в той самий момент, коли стикається з хвилею, і, таким чином, створює інтенсивну висхідну силу. І навпаки, коли повітряний змій перевертається пізніше, сила спрямована вниз.
Захоплення хвилі та обертальна циркуляція є рівними частинами аеродинаміки управління польотом - тобто, як управляє муха. Під час деяких маневрів крило на зовнішній стороні повороту перевертається раніше і виробляє більше підйому, тоді як крило на внутрішній стороні перевертається пізніше і створює менше підйому: загалом муха нахиляється і повертається. Муха має безліч датчиків, таких як очі, атрофовані задні крила, які називаються гантелями, які діють як гіроскопи та механічні рецептори крил, щоб точно регулювати момент повороту та амплітуду махання ...
Більшість досліджень зосереджувались на зависанні, оскільки це найскладніший випадок для пояснення, оскільки комаха не отримує користі від протягів. Їх результати утворюють все більш зв’язане ціле, але не вирішують усіх проблем. Як ми можемо застосувати результати, отримані на дрозофілі, до інших комах? Завдання складне: морфологія, розміри та поведінка комах дуже різноманітні. Щоб проілюструвати різноманітність, давайте процитуємо крихітні трипси, великих сфінгідів, мереживниць (маленьких зелених комах із золотими очима), які мають дві пари крил, злегка не синхронізованих під час польоту, жуків, включаючи дві надкрила, які утворюють панцир на землі, стоять прямо і нерухомо під час польоту ...
Завдяки шести двигунам робота, ми відтворимо рух крил кількох видів комах. Для доповнення цих результатів ми сьогодні будуємо ще одного мухобота, який буде розвиватися в танку, достатньо великому, щоб імітувати, наприклад, те, як мухи здійснюють особливо жорсткі повороти, регулюючи зміщення ударів крила.
Розуміння польоту комах вирішить давню наукову головоломку, але воно може мати і практичне застосування. Наприклад, інженери намагаються розробити мініатюрні літаючі роботи (див. Рисунок 1) для пошуку та порятунку, моніторингу навколишнього середовища, виявлення мін та дослідження планет. Хоча люди будують літаки розміром з птахів, ніхто ніколи не будував літак розміром з муху. В'язкість повітря на цих масштабах важливіша і має перевагу над типом потоку, який утримує літаки в повітрі.
Комахи махають крилами не тому, що вони ніколи не "винаходили" колеса, двигуни та керми, а тому, що їх розміри диктують інші аеродинамічні механізми. Не забуваємо, що еволюція, на думку Френсіса Крика, розумніша за нас (і за його помічника Оргеля).