Аэродинамика насекомых. Как насекомые создают силы для полета. Максимальные показатели для полетов мухи

Тончайшие детали строения крыла насекомых говорят об их поразительной приспособленности к высшему пилотажу. Ученые теперь смогли понять какие крылья бывают у насекомых, толковать их движения и изменения их формы с точки зрения аэродинамики; первыми применили данный подход Уэйс-Фох и Эллингтон.
Применяя различные, взаимодополняющие подходы, изучили полет и функциональную морфологию крыла многих насекомых, выявили некоторые общие закономерности. Техническое совершенство крыла оказалось поразительным.
Типичное крыло представляет собой крепкую упругую и гибкую перепонку, поддерживаемую достаточно жесткими продольными или веерообразными жилками - как правило, трубчатого сечения с гемолимфой (кровью) и воздухоносными трахеями внутри, - соединенными между собой поперечными жилками, механические ее свойства, в особенности прочность и легкость, удивительны даже для так называемой «кутикулы» насекомых - и без того превосходного природного материала. У некоторых разновидностей мембрана крыла имеет толщину всего в микрон или около того и при этом выдерживает воздействие больших подъемных сил, возникающих при полете. Как ни прочна мембрана, крылья насекомых снабжены дополнительными строениями для повышения жесткости и редко бывают совершенно плоскими.
В ряде групп, таких как стрекозы, поденки и прямокрылые (кузнечики, сверчки, саранчовые) крылья сильно гофрированы, и продольные стволы жилок идут то по гребню, то по дну складки. Многочисленные поперечные жилки придают конструкции сходство с решетчатыми фермами инженерных сооружений, где силы, стремящиеся согнуть конструкцию, превращаются в силы растяжения и сжатия отдельных элементов (звеньев). При таких поперечных соединениях достигается гораздо большая прочность и жесткость на единицу массы, чем у конструкций, лишенных поперечных связей. Описанный эффект действительно имеет место в строении крыльев некоторых стрекоз , а сама мембрана, как мы обнаружили, при всей своей гибкости может способствовать поддержанию формы крыла, работая как «распяленная кожа» перепонка не дает каркасу из жилок деформироваться.
Крыло совершает машущие движения, то есть регулярно ускоряется и замедляется, накапливая и теряя кинетическую энергию. Следовательно, здесь истончение крыла к вершине обретает особую важность, ибо центр масс крыла должен размешаться как можно ближе к основанию, чтобы свести к минимуму затраты на изменения кинетической энергии и удержать внутренние напряжения в допустимых пределах. Утончаясь, крыло делается к вершине менее жестким, но поскольку насекомые часто сталкиваются с различными препятствиями и другими особями, крылья, как правило, реагируют на соударения не жестким противостоянием, а податливо отгибаются и затем расправляются, принимая прежний вид - словно тростник под порывами ветра. Вершина гофрированного крыла стрекозы так устроена, что без всякого ущерба уклоняется и отгибается, натыкаясь на стенки садка, и успевает полностью прийти в нормальное положение еще до начала следующего полувзмаха.
Крылья способны сильно деформироваться во время полета. Хотя крылья птиц и летучих мышей также меняют конфигурацию, не надо забывать, что крылья позвоночных, будучи видоизмененными передними конечностями, имеют собственную мускулатуру, позволяющую не сгибаться в локте, запястье, сочленениях кисти. У насекомых же мышцы не идут дальше самого основания крыла, поэтому всякое активное изменение формы крыла практически исключено.
Степень влияния аэродинамических сил на форму мембраны будет определяться эластичностью мембраны, упругими силами в несущих стержнях и регулирующими силами, прикладываемыми насекомым. В случае крыльев надо принять во внимание и силы инерции, возникающие в результате машущих движений. В любом крыле можно обнаружить жесткие участки, явно предназначенные служить крылу опорой и ограничивать его деформации. Такие участки состоят из мощных жилок, или часто пучка продольных стволов, связанных между собой сильными поперечными жилками, а иногда и утолщенной мембраной крыла. Крылья насекомых - устройство куда более сложное, тонкое и интересное. На крыле есть и гасители толчков, противовесы, противоразрывные устройства и множество других простых, но удивительно эффективных приспособлений, повышающих аэродинамическую эффективность крыла.
Строение крыльев насекомых развивалось в соответствии с требованиями особого типа полета.
Крыло способно закручиваться вдоль продольной оси, так что во время взмаха угол атаки может меняться. Большинство насекомых, возможно, активно покачивает крыловую пластинку посредством мышц, отходящих от ее основания. Иногда могут подключаться инерционные и аэродинамические силы.
Может меняться прогиб крыла - выпуклость ею поперечного селения (от ведущего края к свободному). В аэродинамической трубе небольшая выгнутая вверх пластинка создает большую подъемную силу, чем плоская, и насекомые, по всей видимости, пользуются этим эффектом. Насекомые способны изменять площадь крыла, испытывающую воздействие сил. Наиболее виртуозные летуны - такие как равнокрылые стрекозы, пчелы, осы и многое ночные бабочки, а также медленно летающие тли и комары, имеют строение, которое сочетает почти горизонтальные взмахи с заметным закручиванием крыловой пластинки, так что между махом вверх и махом вниз крыло практически полностью переворачивается. Таким образом, и прогиб крыла меняется на обратный. Все механизмы и устройства без труда объясняет классическая аэродинамика. Когда скорость движения крыла уменьшается, оно быстро перегибается вниз по линии поперечного сгиба, а затем закручивается в момент подъема при резком распрямлении. Благодаря этому внешняя часть крыла спешно набирает ускорение, что, вероятно, порождает значительную подъемную силу. Для медленного полета и зависания в воздухе обычно нужно интенсивно закручивать крыловую пластинку, так что лишь немногие формы насекомых с крыльями отличаются виртуозным полетом. Веерообразные задние крылья саранчи гофрированы, а складки поддерживаются многочисленными продольными жилками, идущими по гребню и по дну каждой складки. В покое вся конструкция собирается подобно обычному дамскому вееру. При махе вниз крыло выбрасывается вперед и складки расправляются, раздвигая веер. Крыло продолжает расправляться.
Что действительно впечатляет, так это, какие крылья бывают у насекомых мух и стрекоз , их строение. Оказалось, что крылья этих особей - настоящие миниатюрные шедевры технической изобретательности. Будь крылья этого типа простыми гибкими перепонками, закрепленными только на переднем крае, они просто трепались бы по ветру как флажки, стремясь выправиться параллельно воздушному потоку и не создавая никаких полезных сил. Естественно, в природе ничего подобною не происходит: отсутствие у крыльев жесткой опоры сзади дало возможность развиться целому набору изящных внутренних механизмов, автоматически поддерживающему оптимальный против и угол атаки в непосредственной зависимости от аэродинамической нагрузки.
Чем лучше мы понимаем работу крыльев насекомого, тем большее восхищение вызывает тонкость и изящество их конструкции. В строении крыла насекомых присутствуют одновременно оба эти принципа: здесь используются материалы с самыми разными упругими свойствами, остроумно соединенные с таким расчетом, чтобы в ответ на определенные силы возникали соответствующие деформации и воздух использовался бы с наибольшей отдачей.

Причина отравления вод океана.

Американские ученые из штата Мичиган полагают, что в качестве главной причины отравления вод Мирового океана ртутью являются бактерии.

Секрет выживания лягушек.

Американским ученым удалось выяснить, как лягушкам удается продолжать жить даже после глубокой заморозки.

Секрет долголетия ночницы.

Биологи уже давно считают, что продолжительность жизни животного определяется очень просто: чем оно больше, тем дольше живет.

Аэродинамика

Страница 1

Хорошо, значит, готовимся к старту да. Не хватает подъёмной силы для взлёта, нажмите сильнее на левую педаль. Еще немного. Вот и все.

Сегодня мы воспринимаем это как должное, но, по сути, воздух удерживает меня и вертолёт весом почти две тонны. Только воздух, движущийся очень быстро. Несущий винт вертолёта толкает воздух вниз, что создаёт, подъёмную силу, которая удерживает вертолёт в небе. Это один из основных принципов аэродинамики. Но шаг в сторону невидимого мира и эти благородные и полезные силы неожиданно выглядят совершенно по-другому.

Существуют самолёты которые летают со скоростью близкой к скорости звука. Но на такой скорости, воздух движется так быстро, что вот -вот станет потенциально опасной силой. Смотрите, что происходит на крыле при замедление примерно в 200 раз. (Рис.5) На таких сверхвысоких скоростях водяной пар в воздухе внезапно конденсируется в воду.

Рис. 5 На крыльях водяной пар конденсируется в воду.

Формируется облако. Знаю, что это не звучит так уж страшно облако - но это облако вдруг как бы переносит вес машины на крылья. Только подготовленные пилоты, могут справиться.

Можно подумать, что мы подчинили себе сам процесс полёта, но по сравнению с естественным миром. Наше покорение воздуха, по большей части, вздор. Инженеры до сих пор ведут упорную борьбу за полное покорение воздушного пространства. С тех самых пор как братья Райт 100 лет назад впервые поднялись в воздух. Но только сейчас, с появлением сверхвысокоскоростной съёмки мы, на самом деле, начинаем понимать некоторые секреты природы, которые, в конце концов, работают над той же задачей уже 350 миллионов лет.

Птицы не были первыми летающими созданиями, первыми были насекомые. Столетиями их тайны были скрыты. Движения крыла размывались. Только сейчас мы начинаем получать полую картину. Бражник здесь, как образец изящества полёта. Он может зависать, с поразительной точностью, там, где он приготовился собирать нектар. Но не все насекомые настолько изящны. Шмель - аэродинамическая загадка, которая поставила учёных в тупик. Большое, тяжелое тело, поддерживаемое лишь тоненькими крылышками. Итак, как это работает? Путаница началась ещё 70 лет назад, когда французский энтомолог рассчитал, полёт шмеля невозможен с точки зрения аэродинамики. С тех пор учёные пытались понять, каким образом на вид случайные взмахи шмеля, могут поддерживать его в воздухе. И даже при первом просмотре в замедленном режиме тайное не становится явным. Вот он покачивается в воздухе. Ему даже приходится пользоваться своими лапками для балансировки - Изящно? НЕСКОЛЕЧКО. Крайне быстрые, неистовые взмахи крылышками, не менее чем по 200 взмахов в секунду, являются для него единственной возможностью не упасть. Так вот почему он такой круглый, его грудная клетка - это скопление мускулов - силового механизма крылышек. Дым должен помочь нам увидеть что произойдёт. Поскольку шмель машет своими крылышками, воздух, или в этом случае дым, устремляются вниз. Это и создаёт подъёмную силу, но не достаточную, чтобы удерживать этого полосатого шута в воздухе. Только в супер замедленном режиме мы, действительно, сможем увидеть, что он весьма проворный. После каждого взмаха он поворачивает крылья. Таким образом, даже при ходе крыла вверх, дым продолжает стремиться вниз, удваивая его подъёмную силу. И сделать такое с аэропланом у вас не получится.

Изучая невидимый мир высоких скоростей, инженеры отрывают целый ряд секретов животного мира, которые можно использовать, для проектирования более совершенных летательных аппаратов.

Так почему же мы упускаем так много, из всего того что окружает нас, когда это совершенно очевидно для других соединений? Например, муха может воспринимать действительность со скоростью 100 изображений в секунду, что позволяет ей увеличить скорость до максимума и не врезаться в предметы. Наш мир предоставляется для мухи невероятно медленным,… поэтому и досадно, что нам не когда не достать её. Однако, выигрывая в скорости, муха проигрывает в деталях. Всё , что она видит, это неясные очертания. С одной стороны, мы эволюционировали до того, чтобы различать очень мелкие подробности. Но мы расплачиваемся тем, что наши глаза не могут поддерживать такую скорость. Мы обрабатываем большое количество информации с каждой отдельной картинки. Но это требует времени. На самом деле столько времени, что лучшее и з того, что мы действительно можем делать - это моментальные снимки мира вокруг нас. Мы смотрим затем обрабатываем информацию, смотрим ещё раз, обрабатываем уже другую информацию и так далее.

аэродинамика полет насекомое крыло

Работа крыла реального насекомого отличается от рассмотренной схемы тем, что только вершина крыла совершает колебания относительно неподвижного основания. Кроме того, само крыло в верхней и нижней точках взмаха испытывает вращательные колебания относительно своей длинной оси. Тем не менее, когда удалось наконец визуализировать след (то есть сделать его видимым) летящего насекомого , то оказалось, что его форма почти идентична форме следа, который образуется за крылом, совершающим колебания в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку (рис. 3, б) впервые трехмерную картину аэродинамического следа за летящим насекомым средних размеров с относительно невысокой частотой крыловых взмахов (30 Гц) - для бабочки - толстоголовки (рис. 4). Какова же она? Прежде всего, след представляет собой систему попеременно наклоненных к оси вихревых колец. Через отверстия колец проходит толстая волнообразно изгибающаяся струя воздуха. Если вертикальной продольной плоскостью рассечь такой след, то получим его плоское изображение (рис. 3,б), так называемую вихревую дорожку - вокруг центральной струи в шахматном порядке располагаются вихри, вращающиеся навстречу друг другу. Изменение параметров взмаха крыльев, таких как амплитуда колебания, частота, наклон плоскости взмаха к продольной оси насекомого и направлению полета, сопровождается закономерным изменением формы аэродинамического следа .

Если судить по сравнительной простоте образования и распространенности среди многих примитивных насекомых, то наиболее примитивной и, возможно, исходной формой следа можно считать ту, которая свойственна крылу, колеблющемуся в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку (рис. 3, б). В этом случае за телом образуется цепочка из сцепленных вихревых колец, равнодействующая импульсов которых определяет создание аэродинамической силы, направленной строго вперед (рис. 5, а). Последнее обстоятельство вынуждает многих примитивных насекомых летать с большим углом возвышения, как бы приподнимая тела над горизонталью и тем самым, направляя вихревую дорожку под углом к горизонту для того, чтобы создать подъемную силу. Образование сил в данном случае, как при махе вниз, так и при махе вверх, следует трактовать с позиции квазистационарного действия крыла .

Следующий шаг в эволюции полета состоял в том, что при махе вниз, осуществляемом с большими значениями угла атаки, чем при махе вверх, крылья стали продуцировать вихревые кольца большей интенсивности и, следовательно, меньшего размера. Кольцо, сошедшее с крыльев в конце маха вниз, имеет меньший диаметр, вследствие чего ось следа отклоняется вниз, а равнодействующая импульсов колец направлена под углом вверх (рис. 5, б). Образующая за крыльями вихревая дорожка получила название косой, а природа сил, создаваемых при взмахе крыльев, в принципе такая же, что и в предыдущем случае.

У некоторых насекомых в полете за крыльями образуется вихревой след, форма которого аналогична той, которая характерна для наиболее примитивных насекомых (рис. 5 , в). Есть, однако, существенное отличие. Исследования показали, что кольцо малого диаметра, образовавшееся при махе вниз, во время подъема крыльев расширяется. Как и в предыдущем случае (рис. 5, б), в данном случае мах вниз активнее, чем вверх, но из-за того, что кольцо малого диаметра при подъеме крыльев расширяется, след принимает вид прямой вихревой дорожки. Расширяющееся кольцо придает ускорение струе воздуха, направленной косо вниз, что, по предположению компенсирует отрицательную подъемную силу, создаваемую при махе вверх. В итоге распределение сил в цикле взмаха выглядит следующим образом: подъемная сила создается при махе вниз, а тяга - в течение всего цикла взмаха. Следовательно, генерацию сил при махе вверх можно объяснить с позиций нестационарного действия крыла. Более того, при развороте крыльев в верхней точке взмаха они отталкивают ближайшее к телу кольцо, а вместе с ним и всю цепочку назад, в результате чего насекомое получает небольшой толчок вперед. Следовательно, образование сил в верхней точке взмаха можно объяснить действием механизма, близкого к реактивному.

Роль последнего возрастает у ширококрылых бабочек, которые в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полет цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха (рис. 5, г), что достигается энергичным хлопком крыльев над спинкой, а затем и в нижней точке. В итоге при наиболее скоростном миграционном полете, а также при взлете крылья бабочки отбрасывают дискретные вихревые кольца: при хлопке крыльев в верхней точке кольцо отбрасывается назад бабочка получает толчок вперед; в нижней точке взмаха бабочка хлопает крыльями и отбрасывает кольцо вниз, получая вследствие этого толчок вверх. И наконец, у насекомых с высокой частотой взмаха крыльев отбрасывание мелких дискретных колец становится основным способом создания полезных аэродинамических сил.

Живые существа передвигаются по-разному. Мелкие букашки постоянно спешат, крупные млекопитающие достигают поставленной цели медленно.

Самым быстрым существом, обитающим на планете, признан сапсан. Птица обгоняет автомобиль, развивая скорость 389 км/ч.

За рекордсменом не угнаться виноградной улитке, проползающей за минуту 7 метров. У насекомых зафиксированы рекордсмены.

Совершенно не торопится поденка, порхая со скоростью 1,8 км/ч. Стремительно передвигается стрекоза, способная в случае необходимости достичь скорости 97 км/ч.

Муха обыкновенная

Определено, какая скорость полета мухи – ответы ученых помогут разобраться, почему нелегко поймать вредное насекомое.

Муху, отличающуюся назойливостью, вредностью, ученые признали довольно интересным существом, достойным изучения. Повышенное внимание проявлено к аэродинамике насекомого.

Летающая по комнате муха

Полет признан уникальным. Доказательство элементарно: попробуйте, закрыв двери, окна комнаты, поймать муху, комара, бабочку, моль, божью коровку. Удастся словить перечисленных насекомых, не считая мухи.

Она кружится в воздухе, устремляясь по невообразимой траектории, раздражая преследователя.

Причем летает необычно: стремительно бросается вперед, зависает, резко меняет курс.

Насекомому удается висеть кверху лапками, быстро переворачиваться. В воздухе выписывает невообразимые зигзаги, спирали, прямые, волнообразные линии. Нет насекомых, способных по аэродинамике сравниться с изворотливой особью.

Максимальные показатели для полетов мухи

Класс насекомых необычайно разнообразен. Выделяется множество отрядов, объединенных схожими свойствами строения тела, отдельных органов, способом питания.

Муха причислена к двукрылым. Недостаток летательных органов не сказался на качестве, скорости передвижения.

Размах крыльев мухи

Отсутствие «лишней» пары крыльев позволяет творить чудеса: совершать быстрые взмахи, легко маневрировать в воздушном пространстве.

Высокую подвижность обеспечивают жужжальца, сформировавшиеся из задних крыльев. При удалении парного органа полеты прекратятся, насекомое пополнит ряды ползающих существ.

Скорость

Ученым удалось установить скорость полета мухи, обитающей в комнате. Величина составляет примерно 6,4 км/ч.

Благодаря приличной скорости удается с легкостью спасаться от преследователей, пытающихся прихлопнуть газетой, передвигаясь медленнее.

Выявлены быстролетающие особи. Победителями стали падальная (12 км/ч), слепень (22-60 км/ч).

Значительные расстояния преодолевает редко. В поисках пропитания, для спаривания, откладывания яиц устремляется вперед. Дальность полета мухи 2 км.

Высота

Двукрылые насекомые встречаются практически повсеместно. Ученые доказали: высота полета мухи ограничена. Они как птицы не поднимаются высоко в небо.

Для безбедного существования еда находится практически рядом. Добыть пропитание несложно: вокруг свалки, навозные кучи, удается полакомиться вкусным вареньем, крошками хлеба, нектаром растений.

Муха поедающая хлеб

Корм находится низко, укрытие рядом. Стремиться вверх необходимость отпадает.

Ученые специально не проводили опыты, пытаясь установить, как высоко поднимаются представители группы. Насекомые долетают до 5- 10 этажа. Жители многоэтажек утверждают, что замечали надоед на 25-28 этажах.

Исследователи комментируют необычное явление. Они утверждают, что самостоятельно насекомые на значительную высоту не поднимаются. Максимальная высота полета мухи зависит от ветра.

Заключение

Изредка «путешественники» поднимаются вверх на лифтах, проникают в жилье в коробках с вещами, заползают через вентиляционные шахты.

Яйца насекомых заносятся в горы, где затем появятся молодые особи. Самостоятельно взлететь на Джомолунгму мухам не суждено.

Видео: Замедленная съемка полета мухи

Скорость мухи развивается до 6,4 км в час, однако, это еще не самое увлекательное. Изучением аэродинамики, траектории передвижения занимаются ведущие научные институты по всему миру. Аэродинамику сравнивают с полетом неопознанного летающего объекта. За многие годы многочисленных исследований так и не удалось до конца раскрыть секрет. Насекомое, которое водится повсеместно, каждый день раздражает человека своим присутствием, является самым важным объектом для исследования.

Аэродинамика мухи

Ученые сравнивают насекомое и его возможности с летающей тарелкой. Спокойно может зависать в воздухе, совершать рывки в разные стороны, не набирая предварительно разгона, быстро срывается с места, резко приземляется, отлично держится на горизонтальной, вертикальной поверхности. Самая важная загадка для ученых, которую еще не могли разгадать – как , а затем спокойно переворачивается во время полета.

Интересно!

Разгадав тайну аэродинамики, ученые смогут создать совершенный летательный аппарат, который станет основным военным достижением.

Траекторию полета мухи сложно вычислить. Она быстро меняет направление, летает зигзагами, вправо, влево, вниз, вверх. Быстроту, мгновенную реакцию обеспечивает , который позволяет видеть вокруг своей оси. Срывается в воздух еще до того, как человек порядочно замахнется.

Особенности полета:

1. Перемещение в разные стороны, зависание, маневренность.
2. Расположение вверх ногами.
3. Способность лететь на большие расстояния без остановки.
4. Высокая скорость перелета.

С мухой в аэродинамике, скорости не сравнится ни одно насекомое. Основная цель научных деятелей – разгадать тайну.

Скоростные достижения

Муха летает на расстояния до 3 км без остановки. Чтобы преодолеть такую дистанцию, нужны веские причины. Способствующими факторами являются , а также неблагоприятные климатические условия. К концу лета из дикой природы вредители охотно переселяются в дома человека, квартиры, хозяйственные пристройки.

Скорость полета мухи развивается до 6,4 км в час. Эта способность обеспечивает большую выживаемость в природе. Легко скрывается от врагов, находит благоприятные условия для существования, источник пищи.

Летательный аппарат чрезвычайно прост – пара прозрачных крыльев, жужжальца вместо подкрылков. Отсутствие второй пары крыльев позволяет им зависать в воздухе, легко менять траекторию, развивать скорость.