Полет шмеля

Шмели – это симпатичные мохнатые и шумные насекомые из семейства пчел размером до 2,5 см. Крылья шмеля очень маленькие по отношению к их телу. Самолет, построенный с соблюдением таких же пропорций, как у шмеля, никогда бы не оторвался от земли. Но шмели похожи скорее на вертолеты с гибкими лопастями, чем на самолеты. Подвижная аэродинамическая поверхность генерирует больше подъемной силы, чем жесткое и зафиксированное крыло. Однако страус, который может создать подвижную аэродинамическую поверхность, так никогда и не оторвется от земли. В свое время ученые находились в затруднительном положении относительно того, каким же образом шмели поднимаются в воздух.

Парадоксы

Физики-теоретики использовали в отношении шмелей теории, применимые для полета Боинга 747, и определили, что они не должны летать. Однако они использовали неверное уравнение. Иварс Петерсон попытался защитить ученых, утверждая:
«Проблема на самом деле заключается не в том, что ученые не правы, а в том, что существует значительное различие между предметом и математической моделью этого предмета».

Вообще, полет насекомых уже долгие годы является загадкой для ученых. Французский энтомолог Ентони Магнан писал в своей книге об этой проблеме еще в 1934 году. В ней он ссылается на подсчеты, сделанные инженером Андре Сейнт-Лаг. Его выводы основывались на следующем: «Максимально возможная подъемная сила, генерируемая крыльями летательного аппарата таких же маленьких размеров, как и крылья шмеля, и с таким же медленным движением, как движение пчелы во время полета, была бы намного меньше массы самой пчелы» (Дикинсон, 2001).

Непростое движение крыльев

Начиная с 1934 года, инженеры начали применять теорию аэродинамики для конструирования таких самолетов, как Боинг 747 и разведывательные истребители. Эти самолеты имеют достаточно сложное строение и, несмотря на это, их функционирование основано на стационарных принципах. Шмели нарушают этот принцип, потому что они вращают и машут своими крыльями со скоростью от 300 до 400 взмахов в секунду – это почти в десять раз больше, чем скорость генерирования сигналов нервной системой! Шмель достигает такой высокой скорости взмахов крыльями посредством сокращения и расслабления мышц своего брюшного отдела. Более того, изменения траектории движения крыл шмеля в воздухе при взмахе является причиной возникновения различных аэродинамических сил. Это сводит на нет всяческие математические теории.

Крылья шмеля не качаются подобно двери на петлях. Наоборот, верхняя часть каждого крыла описывает тонкий овал под большим углом. Также, крылья «переворачиваются» во время каждого взмаха: верхняя часть крыла направлена вверх во время взмаха вниз и поворачивается вниз во время движения вверх.

Три основных механизма полета

Специалист, изучающий механику животных, Чарли Еллингтон из Кембриджского Университета, казалось, разгадал тайну полета насекомых. Он обнаружил, что вихревой поток, перемещающийся вдоль передней кромки крыла насекомого, производил дополнительный подъем. Исследователи Майкл Дикинсон и Джеймс Беч из Калифорнийского университета в Беркли получили противоположные данные. В научном журнале «Nature» они поделились результатами своих исследований относительно дополнительной аэродинамической подъемной силы, которая образуется у шмелей. Они построили масштабную модель мухи дрозофилы и наблюдали за ее полетом в резервуаре, заполненном минеральным маслом. С помощью крошечной модели дрозофилы ученые воспроизвели полет этой мухи в воздухе – более редкой среде. В результате профессор Дикинсон утверждал: «Основываясь на проведенных экспериментах, мы сделали вывод, что предположение Еллингтона не может объяснить явление присоединения вихря, которое происходит во время взмаха крыла» (Макфи, 2001).

Тем не менее, сделанные Еллингтоном выводы подтолкнули ученых к поиску уравнения для «нестационарного функционирования», которое могло бы объяснить механизм взмахов крыльев.

Пытаясь разгадать тайны полета насекомых, ученые сконструировали модели крыльев шмеля в увеличенном масштабе. Применение этих моделей дало плодотворные результаты, соединив при этом две основные силы в жидкости – силу давления, производимую инерцией жидкости, поперечную силу, вызванную вязкостью жидкости. Профессор Дикинсон сообщил о новых данных, которые он получил в 2001 году. Эти данные основывались на теории Еллингтона, которые ранее Дикинсон пытался опровергнуть. В своем исследовании, опубликованном в Scientific American («Объяснение загадки полета насекомых»), Дикинсон утверждает, что в полете шмеля участвуют три основных механизма: замедленный срыв воздушного потока, захват спутной струи и вращательное круговое движение.

Полет в море вихрей

Замедленный срыв воздушного потока происходит тогда, когда крыло самолета рассекает воздух под слишком крутым углом. Вихри, образованные самолетами, обычно оставляют позади сильную турбулентность в спутной струе винта самолета. Однако насекомым, чтобы оставаться в полете, просто необходимы эти вихри. Вихрь – это вращающийся поток вещества, похожий на воронку в стекающей воде в умывальнике. Когда движение крыла происходит под небольшим углом, воздух разбивается на передней части крыла и плавно переходит в два потока, которые протекают вдоль верхней и нижней поверхностей крыла. Верхний поток движется быстрее, в результате чего давление над крылом более низкое. Именно это и тянет крыло вверх, производя подъемную силу. Первый этап замедления изначально увеличивает подъемную силу вследствие возникновения короткого потока, который называется вихрем передней кромки крыла. Этот вид вихря образовывается непосредственно над и за передней кромкой крыла. Поток воздуха в вихре движется невероятно быстро, и полученное таким образом низкое давление существенно увеличивает подъемную силу.

Данные Дикинсона, похоже, согласуются с экспериментальными данными, которые были получены физиком Джейн Вонг из Корнелльского университета. Она писала: «Старый миф о шмеле отображает наше недостаточное понимание динамики неустойчивой вязкой среды. В отличие от созданных самолетов с неподвижным крылом, с устойчивой динамикой, почти невязкой (лишенной вязкости) жидкости, насекомые летают в море вихрей. Кроме того, эти вихри окружены маленькими вихрями и воздушными потоками, которые создаются в результате взмахов крыльями» (из работы Сегелкена, 2000).

Подъемные силы

Кроме замедленного срыва воздушного потока Дикинсон обнаружил, что крылья шмеля создают временные мощные силы, которые появляются в начале и в конце каждого взмаха, и эти силы нельзя было объяснить с помощью торможения. Эти силы достигают максимума во время обратного взмаха, когда движение крыла замедляется и крыло шмеля начинает быстро вращаться. Это означает, что вращение может играть важную роль в механизме полета шмеля. Дикинсон продемонстрировал идею вращательного механизма движения с помощью теннисного мячика. Теннисный мячик, который ударили обратным вращательным движением, тянет воздух быстрее на своей верхней поверхности, что заставляет мячик подниматься, тогда как верхнее вращение тянет воздух быстрее снизу, что заставляет мячик опускаться. Дикинсон сделал вывод, что взмахи крыльев шмеля создают значительную подъемную силу с помощью вращательного движения.

И, наконец, Дикинсон обнаружил, что улавливание спутной струи, т. е. столкновение крыла с вихревой спутной струей, оставленной предыдущим ударом крыла, также участвует в полете насекомых. Каждый взмах крыла оставляет за собой множество вихрей. Когда крыло шмеля изменяет направление, оно возвращается через этот перемешивающийся воздух с вихрями. В спутной струе содержится энергия, которая была отдана воздуху насекомыми, так что захват спутной струи является для насекомых способом восстановления энергии. Таким образом, захват спутного потока помогает шмелю повторно использовать энергию.

Ученые до сих пор не знают всех тайн и сложностей, связанных с полетом шмеля и других насекомых. Но они рассчитывают, что смогут больше изучить сложные крылья шмеля для применения полученных знаний в создании новых самолетов.

Стоит в очередной раз признать, что инженеры могут создавать большие самолеты, лишь воспроизводя те образцы, которые были созданы Великим Премудрым Конструктором – Богом Творцом.

К НАЧАЛУ СТРАНИЦЫ