Секрет польоту комах

03.08.2015

Секрет польоту комах

Схлопывающий політ бабки

Секрет польоту комах
Бабки, особливо великі, по праву вважаються асами льотної майстерності серед комах. Але принципи польоту бабок до цих пір залишаються загадкою для науки. Ясно, що видатні льотні якості бабок якимось чином пов’язані з характерною особливістю їх польотного апарату: з наявністю двох пар крил – практично однаково розвинених і незалежно керованих.

Маючи дві пари крил, бабки, як ми вважаємо, тримаються в повітрі тим же способом, що і багато двокрилі комахи – створюючи вертикальну вібраційну тягу [1]. Нагадаємо, що ця тяга утворюється, якщо махи крилами вниз відбуваються дещо швидше, ніж махи вгору. При цьому усереднена сила опору повітря, що має ненульову динамічну в’язкість, спрямована вгору. Елементарні розрахунки показують: для того, щоб триматися в повітрі бджолі, махи її крилець вниз повинні здійснюватися лише на 15% швидше, ніж махи вгору [2]. Але, питається: заради якихось особливих переваг, порівняно з двокрилими комахами, у бабок настільки ускладнений польотний апарат, і, відповідно, ускладнено управління ним? На наш погляд, ці ускладнення цілком виправдані, оскільки польотний апарат бабок забезпечує вражаючий – як за задумом, так і за ефективністю – спосіб пересування в повітрі .

Розуміння принципу роботи рушія бабки перешкоджає забобон про те, що якщо вже бабка має передню і задню пари крил, то і махати ними вона повинна відповідно: передніми кілька спереду, а задніми декілька ззаду. Але зверніть увагу. між сочленениями передніх і задніх крил з корпусом відстань набагато менше, ніж ширина самих крил, і тому, навіть при великих розведеннях передніх і задніх крил один від одного, вони неодмінно повинні «чиркати» один по одному на зустрічних махах. Така компоновка крил виглядає більш ніж дивною, якщо не знати секрету польоту бабки. Секрет у тому, що бабка в польоті аж ніяк не розводить передні і задні крила один від одного, а, навпаки, вона – якщо дивитися на неї зверху або знизу – максимально поєднує контури передніх і задніх крил, які для цього майже ідеально узгоджені. Таким чином, говорячи про стан крил метелика в польоті, правильніше розрізняти крила не передні і задні, а нижні і верхні. Один цикл роботи лівої і правої пар крил при польоті вперед полягає в тому, що нижні і верхні крила розходяться і, сходячись, ляскають один по одному.

Щоб зрозуміти, яким чином таке ляскання породжує рушійну силу, слід мати на увазі, що площині сходяться верхніх і нижніх крил не є паралельними. Крила, маючи чудово підібрану гнучкість в напрямках від передніх кромок до задніх, з-за опору повітря пасивно згинаються так, що їх задні кромки відстають у своєму русі від передніх. В результаті верхнє і нижнє крила створюють щось на зразок схлопывающегося клина, з якого викидається назад плоска «кумулятивний» струмінь повітря. Відкидаючи, при кожному падінні, повітря тому, права та ліва пари крил створюють реактивні сили, які штовхають бабку вперед. Тепер стає ясно, що «дивна» компонування крил бабки є, насправді. оптимальною для забезпечення схлопывающего польоту: якщо зчленування з корпусом у схлопывающихся крил були б рознесені не по горизонталі, а по вертикалі, то формування схлопывающегося клина було б утруднено.

Проілюструємо ефективність схлопывающего польоту – зробимо необхідні оцінки для прикладу великої бабки дозорщика. Вираз для реактивної сили в даному випадку має вигляд F реактив =mfv. де m — маса повітря, отбрасываемая при одному ударі сходяться крил. f — частота ударів крилами, v — швидкість, з якої відкидається повітря. Для знаходження швидкості польоту V. слід прирівняти реактивну силу і силу лобового опору, яка є F лоб =(1/2)C r SV 2. де C — безрозмірний коефіцієнт лобового опору[3,4], r — щільність повітря, S — ефективна фронтальна площа бабки, головний внесок в яку обумовлений не головою, а пасивно выворачиваемыми крилами. Прирівнюючи F реактив і F лоб. отримуємо для швидкості польоту вираз

Секрет польоту комах
.

Наведемо необхідні значення параметрів. Частота ударів крилами у бабок досягає 100 Гц; візьмемо випадок f= 70 Гц. Швидкості помахів багато менше швидкості звуку, тому в даному випадку повітря можна вважати нестисливої середовищем. Тоді маса повітря m. отбрасываемая при одному схлопуванні, приблизно дорівнює добутку щільності повітря r =1.3 кг/м 3 на обсяг схлопывающегося клина. При довжині одного крила у дозорщика. дорівнює 5 см, ефективний майданчик крила можна вважати прямокутником 4 x 1.5 см 2 ; нехай кут схлопывающегося клина становить 2 a =30 о. При цьому маса повітря, отбрасываемая за один раз обома парами крил становить близько 6 x 10 -6 кг. Під швидкістю v повітря, що відкидається будемо розуміти швидкість його витіснення з схлопывающегося клина, яка дорівнює вертикальної швидкості удару крила 2 p fA (де A » 1.5 см – амплітуда помаху верхнього або нижнього крила), діленої на tg a. тобто на tg 15 ; при цьому v » 25 м / с. При C » 0.2 S » 6 см 2. шукана швидкість польоту, з урахуванням вищезгаданих значень параметрів, становить V » 42 км / ч.

Хоча ця цифра отримана при цілому ряді досить-таки грубих наближень, вона цілком адекватно відображає той факт, що бабка дозорщик в повітрі явно перевершує по швидкості комах, на яких вона полює.

Втім, для вдалого полювання, бабку потрібно ще й не поступатися своїм жертвам в маневреності. І, знову ж таки, дві пари крил не тільки дозволяють бабку відпрацювати практично будь-який маневр жертви, але і дають їй можливість виконувати трюки в повітрі, непосильні для двокрилих комах – наприклад, повороти на місці або швидкі бічні переміщення. Коротко опишемо, як виконуються ці трюки.

Для зависання на місці бабку потрібно працювати верхніми і нижніми крилами, не допускаючи їх схлопываний. При цьому кожне з чотирьох крил, здійснюючи махи вниз трохи швидше, ніж махи вгору, дає внесок у вібраційну тягу, яка утримує бабку в повітрі. До речі, крила бабки мають гнучкість не тільки в передньо-задніх напрямках, але і в напрямках від підстав до кінчиків. Це допомагає бабку встановлювати оптимальний зазор між робочими зонами верхніх і нижніх крил у режимі зависання: при оптимальному зазорі верхні і нижні крила, сходячись, соударяются тільки своїми кінчиками, що супроводжується характерним звуком. Так, у завислого на місці дозорщика жорсткий шелест, через періодичних зіткнень кінчиків верхніх і нижніх крил, виражений набагато сильніше, ніж м’який звук «ф-ф-ф…», з яким крила женуть повітря. Причому, повітря женеться саме завдяки вигинам крил у напрямках від підстав до кінчиків – повітря відкидається цими вигинами подібно до того, як він відкидається кінчиками махового пір’я птахів [5]. Оскільки робоче положення крил бабки ортогонально корпусу, то повітря відкидається вправо і вліво від корпусу, що, відповідно, породжує пару реактивних сил. У порівнянні з силами тяги вперед при схлопывающем польоті, сили бічної тяги при зависанні, звичайно, слабкіше. Але, зробивши їх розбаланс, бабка виконує досить-таки різке бічне переміщення. Так, для переміщення вліво, амплітуди махов у правій пари крил слід трохи збільшити, а у лівій – трохи зменшити. При цьому, звичайно, з’явиться ще й різниця вібраційних сил, створюваних лівими і правими крилами, і виникне момент сил, перекидаючий бабку вліво. Але у неї є можливість нейтралізувати цей момент сил, зігнувши вправо черевце – яке немов навмисне подовжена для ефективного усунення, описаним способом, порушень рівноваги по крену. Додамо. що для бабки не є проблемою і поворот в повітрі на місці. Так, щоб розвернутися на місці вправо, бабка раз на кілька циклів злегка схлопывает ліву пару крил, яка при цьому відкидає яке-то кількість повітря назад – і бабка, через віддачі, повертається на невеликий кут вправо. Добре помітно, що розворот на місці у бабки відбувається не плавно: він являє собою послідовність малих стрибкоподібних поворотів.

Далі, коротко зупинимося на одній відомій особливості будови крила бабки – специфічному потовщенні передньої кромки, що знаходиться десь на двох третинах довжини крила, якщо рахувати від підстави. Вважають, що це пристосування є ускладненням передньої кромки крила і призначене для боротьби з флаттером. В авіації флаттером називають изгибные коливання жорстких крил; амплітуда цих коливань, при досить великій швидкості польоту, може зрости настільки, що крила зруйнуються. Тут, дійсно, погіршення передніх кромок крил дозволяє збільшити значення критичної швидкості польоту, при перевищенні якої можливі руйнування. Але чи є флаттер загрозу для гнучких крил комах? Адже тут изгибные деформації не є шкідливим фактором, а, навпаки, корисним ефектом! Треба комах боротися з флаттером, якщо на флаттере заснований їх політ. І не дивує чи теоретиків той факт, що «заходи проти флаттера» прийняті тільки у четверокрылых комах – навіть у самих малих, але використовують схлопывающий політ – а двокрилим комах, практикуючим навіть набагато більш динамічні режими польоту. флаттер, нібито, не страшний? Розгадка, на наш погляд, в тому, що вищезгадані потовщення передніх кромок крил бабок призначені зовсім не для боротьби з флаттером: вони, мабуть, є амортизаторами – які, після змикання верхніх і нижніх крил, полегшують бабку їх розведення. Такі амортизатори бабку не завадили б, оскільки небезпека злипання верхніх і нижніх крил дійсно існує.

На закінчення відзначимо, що слід з обережністю використовувати приказку “ літає. як бабка » – оскільки, крім самих бабок, ніхто так не літає. З’явилися повідомлення про розробки мініатюрних роботів- » бабок «. у яких для створення підйомної сили, площини крил при махах вгору і вниз повинні відповідним чином примусово повертатися. Можливо, такий «энтомоптер» буде триматися в повітрі і навіть буде переміщатися, але його політ буде мати мало спільного з польотом комах. І, звичайно, льотні якості та енергетичні характеристики польоту такого «энтомоптера» будуть незрівнянно гірше, ніж у комах, які використовують вібраційну тягу і схлопывающий політ.

ll-propulsive.narod.ru Стаття «Вибролет».

2. А. А. Гришаєв. Управління вібраційним польотом у бджоли.

3. Р. Биркгоф. Гідродинаміка. «Изд-во іноземної літератури», М. 1963.

4. Х. Кухлінг. Довідник з фізики. «Світ», М. 1982.

5. А. А. Гришаєв, А. А. Гришаєв (старший). Секрет машущего польоту птахів.

Короткий опис статті: комаха Сайт присвячений вивченню різних аномальні явища на Землі і в космосі. бджола, метелик, бабка, секрет польоту, гришаєв, секрет машущего польоту птахів, чудеса, таємниці, загадки, аномалії, НЛО, снігова людина, піраміди, сфінкс, криптозоология, динозаври, космос, релігія, секти, привиди, непізнане

Джерело: Секрет польоту комах

Також ви можете прочитати