Політ комахи - біологія
Політ комахи є найдавнішим способом пересування по повітрю і включає різні техніки польоту. Немає принципової різниці в польоті пташок, що плескається, з точки зору сил підйому та рушія, що є визначальними для польоту: крила вгору та вниз служать як крилами, так і рушієм, їхні передні кромки жорсткіші, а решта частини залишається еластичною. Через менший середній розмір літаючих комах частота плескання крил набагато вища порівняно з хребетними. [1]
Крила комах - це крила, виготовлені з хітину, що історично виникли через виступи на шкірі. Летючі комахи - це найбагатша група видів у всьому царстві тварин, і більшість видів мають дві пари крил. Чотирикрила структура є перешкодою для польоту, тому існує еволюційна тенденція до двокрилих конструкцій. [1]
Політ на низьких та середніх числах Рейнольдса
Залежно від розміру комахи та швидкості її польоту, повітря для комахи по-різному «жорстке». Тому особливо дрібні комахи «плавають» у повітрі, яке для них є таким же жорстким, як вода, завдяки своєму розміру та швидкості польоту (див. Число Рейнольдса або «Коли повітря стає липким»). Тому вони не мають аеродинамічного крила, а мають лише щіткоподібні генератори опору, такі як щетина або бахромі крила.
Більші або швидші літаючі комахи зазвичай використовують прозорі шкірні крила. З цього будь-яка задня пара може бути зведена до так званих "розмахуючих цибулин", які обертаються лише проти крил, щоб збалансувати маси, і використовуються як гіроскопічний інструмент (у двокрилих, таких як комарі та мухи)
У мух крило вниз здійснюється зверху назад донизу спереду з горизонтальним положенням крила. Як результат, опір повітря є максимальним у вертикальному напрямку та мінімальним у горизонтальному напрямку. Це створює високий рівень підйому та мінімальну величину задньої сили. Коли крило вгору, крило переміщується з нижнього фронту у верхній тил вертикальним крилом. Це призводить до мінімального опору повітря у вертикальному напрямку і відповідно низького притискного зусилля, а також максимального опору в горизонтальному напрямку і, відповідно, максимального рушія. Такий розподіл завдань антагоністичних груп м’язів на підйом та рушій призводить до наближеної рівноваги сил, що має значне значення для взаємного скорочення антагоністів у непрямому польоті м’язів шляхом розтягування.
З передньої пари крил може бути сформовано рогове крило крила, яке як нерухоме крило створює підйом у польоті, тоді як більша, схожа на шкіру, пара заднього крила відповідає за рух (наприклад, Coleoptera, жук).
Але є також численні види, у яких обидві пари крил повністю розвинені. Крило бабки бабки (Anisoptera) вважається шедевром природи. На кожному з чотирьох крил за допомогою форми трахеї та мембран у повітряному потоці ламінарний профіль з низьким опором (тобто профіль крила з великим запасом товщини) формується за допомогою вбудованих вихрострумових роликів, які можуть бути використані для ковзання, стаціонарного польоту та швидкісного польоту. Обробні резервуари, вбудовані в крила (pteristigmata), дозволяють додатково керувати. Незважаючи на те, що крило становить лише 2% від загальної ваги бабки, воно забезпечує неперевершену стійкість і відмінні льотні характеристики, складаючи понад 50% поверхні тварини. Це співвідношення ваги крила та площі поверхні до загальної ваги не має собі рівних у всій авіації людини.
Менші комахи, як правило, використовують технологію "вихру переднього краю", щоб отримати підйом у польоті, що плескається. Вгору і вниз по їх передньому краю крила з гострими краями створюється вихор вздовж цього краю, який може бути використаний безпосередньо для підйому, в якому задня частина цього вихрового циліндра всмоктує крило вгору на низхідному ході і штовхає крило вгору на верхньому ході. Це пояснює чудові льотні характеристики метеликів (Lepidoptera), деякі з яких за своє життя можуть виконати кілька міжконтинентальних польотів довжиною до 4000 км, наприклад, метелик-монарх.
М’язи польоту
Крила рухаються або непрямими, або прямими політними м’язами. Прямий "драйв" вважається оригіналом.
Значення від 0 (ковзання бабок) до 1046 Гц для дрібних комарів (рід Форципомія, Ceratopogonidae) [2]. Однак, оскільки для цієї частоти неможливо керувати м’язом за допомогою прямих нервових імпульсів, оскільки латентність і абсолютний рефрактерний період потенціалу дії нерва обмежує максимально можливу частоту приблизно від 800 до 1000 Гц, м’язи комах з непрямими політними м’язами скорочуються самостійно Перенапруження. Оскільки дуже маленькі комахи можуть генерувати повітряні сили, необхідні для польоту, з відповідно високою частотою махання крилами, вони завжди мають непрямі польотні м’язи. Летаючі представники більш оригінального, прямого типу мають певний мінімальний розмір (коники, бабки).
М’язи непрямого польоту
Назва походить від того, що м’язи не прикріплюються безпосередньо до крил, але м’язова сила передається опосередковано крилам через скелетні елементи грудної клітини. М'язи, що відповідають за нижній хід крил, розташовані вздовж грудної клітки (поздовжні м'язи), м'язи, що відповідають за хід крил, тягнуться від "задньої частини" грудної клітки до її "живота" (спинно-мозкові м'язи). Деформації грудного скелета передають м’язову силу крилам.
Під час польоту потенційні дії рухових нейронів спостерігаються через досить рівні проміжки часу, що призводить до вивільнення іонів кальцію із саркоплазматичної сітки в політних м’язах. Однак концентрація кальцію в цитоплазмі м'язових клітин (міоплазма) не є пусковим механізмом для скорочень цього конкретного типу м'язів. Скорочення м’язової клітини викликається її розширенням, яке відбувається під час польотних операцій її антагоністом. Наявність певної концентрації міоплазматичного кальцію є необхідною, але недостатньою умовою скорочення непрямих польотних м’язів. Однак у системі спокою перше скорочення м’язів може бути спричинене початковим викидом кальцію, який спричинений потенціалом дії рухового нейрона.
Система зупиняється через відсутність потенціалу дії рухових нейронів, оскільки концентрація кальцію в міоплазмі потім настільки різко падає через поглинання іонів, що скорочення вже не можуть відбуватися.
Скорочення м’язових клітин протікає інакше, ніж зазвичай, з м’язовими клітинами, оскільки головки міозину нахиляються внаслідок зміни конформації, але не від’єднуються від актину, щоб почати заново на наступному сегменті актину („біологічне спорядження” м’язів). Тому вкорочення льотного м’яза надзвичайно мало, і його необхідно перенести на крило механічним перекладом. Цей переклад досягається, серед іншого, ланцюжком одноруких важелів, в яких сила передається від передньої частини задньої частини грудної клітки, мокротиння, до задньої частини спини (щитків), а звідти знову до передньої через тегальні важелі, прикріплені до щитків по обидва боки підводити до стиків крила.
Через цей механізм, при якому обидва крила можна одночасно відкривати або махати, муха не має можливості генерувати рушійні сили, які повинні бути різними з обох боків при повороті, різною частотою махання. Натомість він може змінювати амплітуду махання крила та кут атаки крила окремо з обох сторін. Це досягається завдяки дуже складній конструкції суглоба крила та ряду тонких регулюючих м’язів, які можуть належним чином відрегулювати суглоб.
Частота ударів крила комах з непрямими польотними м’язами визначається повітряно-масовими силами інерції, які протистоять скороченню м’язів. М'язи польоту скорочуються або повністю, або взагалі відсутні внаслідок скорочення, спричиненого розтягуванням. Однак при зміні амплітуди або положення крила крила крила, які використовуються для управління польотом, змінюється опір повітря на крилі, що протистоїть силі стиснення. Потім це змінює частоту плескання крила комахи. В експерименті мух, зафіксованих у грудній клітці, залежність частоти махання від механічних властивостей усієї системи, яку можна зрозуміти як резонансну систему, можна спостерігати шляхом укорочення крила або зважування крила воском.
Управління м’язами польоту може бути надзвичайно примітивним і пов’язаним із повідомленням про контакт із землею зубців лап комах (як у випадку з мухою). Для початку муха просто зістрибує з землі, жодна з ніг не повідомляє про контакт із землею, а потім запускається політ.
При посадці одна або кілька ніг повідомляють про контакт із землею, а м’язи крил зупиняються. Якщо муха прикріплена до грудної клітини, а ноги не торкаються землі, крила часто довго махають.
М’язи непрямого польоту мух та інших комах є однією з тканин, що мають найбільші енергетичні витрати. Зображення електронного мікроскопа показують надзвичайну щільність мітохондрій, які служать "енергетичними електростанціями" для всіх клітин. Через величезну кількість відпрацьованого тепла, що утворюється під час польоту, потрібна ефективна система охолодження. Бджоли та, ймовірно, також мухи використовують тут дуже ефективне випаровування - так само, як ссавці. Комахи закачують гемолімфу, нагріту летячими м’язами в грудній клітці, в голову і задихають краплю рідини, що виходить із стовбура, а потім випаровується. У мух, які прикріплені до верхньої сторони грудної клітки, це падіння можна спостерігати дуже красиво через деякий час. Схильність комах до польоту значно знижується, коли вологість повітря висока.
М’язи прямого польоту
Прямий привід зустрічається у більш примітивних комах, таких як бабки та траверси. Крила тут безпосередньо пов’язані з м’язами-антагоністами. Управління рухом при прямому підході до крил аналогічно контролю скелетних м’язів у хребетних (наприклад, згиначів/розгиначів у м’язах рук). Сутички провокуються безпосередньо нервовою системою через потенціал дії рухових нейронів. Як і при ходьбі, в центральній нервовій системі таких комах існують певні нервові зв’язки, які також називаються генераторами малюнків і які генерують скорочувальну поведінку льотних м’язів як послідовності потенціалів дії.
Техніка повітряного бою
Недавні дослідження польоту бабок показали, що бабки здатні тримати своє становище постійним щодо голови та складного ока комахи, на яку вони хочуть напасти. В результаті положення наближається бабки в очах своєї жертви залишається незмінним, нападаюча бабка не помічається. Крім того, самці бабок борються між собою посиленими передніми краями крил, щоб мати більше шансів на розмноження, відганяючи конкурентів.