Какое насекомое летает против всех физических законов

masterok

Родилось такое утверждение в начале XX века, когда бурно развивалось самолетостроение. Ученые того времени применяли к насекомому условия полетов по законам аэродинамики (вычисления силы, предназначенной для подъема в воздух тяжеловесных лайнеров).
Почему выбор пал на мохнатое насекомое? У шмеля относительно грузной массы тела маленькие по размеру крылышки. Это и привлекло внимание ученых.
Математические исчисления подходили для пчел, мух, бабочек, а вот к шмелям это применение по законам физики оказалось невозможным. Загадочное насекомое опровергало все математические выводы ученых. Что они сделали? Попытались вписать шмелиный полет к формулам, исчисляющим подъемную силу авиалайнера, забыв о том, что самолет не умеет махать крыльями.
В итоге, получив парадоксальный вывод о невозможности полета земляной пчелы, ученые заявили, что «шмель летать не может, но летает, нарушая законы физики». Но мохнатое насекомое физику не изучало и на лекциях не сидело. Ежедневно шмелики, радостно гудя крыльями, показывали, насколько наука бессильна.
Почему шмель летает?

Наука развивалась. Полет насекомого, то, с какой скоростью и как именно оно летает, удалось досконально снять на камеру. Взмахи крыльев просматривали в замедленном темпе, изучали траекторию движения. Какие выводы получили?
При интенсивной работе крылышек, их края образуют воздушные завихрения. Завихи убираются, как только крыло перестает взмахивать.
Эти завихрения воздуха обладают различной плотностью воздушного потока.
Разница в давлении воздуха создает силу подъемную, которая и поднимает бомбуса в воздух.
Та же бабочка или комар не могут сбрасывать воздушные завихрения, их полет заложен на планировании в потоке воздушных масс. Шмель летает вопреки законам аэроанализа, ведь его работающие крылышки рождают большую аэродинамическую силу. А возвратно-поступательные взмахи крыльев делали исследования передвижения насекомого слишком сложными и непредсказуемыми для аналитики.
Аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко фиксированное крыло. И крылышки шмеля создают одновременно не только возвратно-поступательные, но и ритмически-колебательные движения (за секунду крыло бомбуса совершает 300-400 таких взмахов).
Доказательную базу привела в середине XX века женщина-физик из Корнельского университета Чжэн Джейн Ван (Jane Wang). Она потратила много часов, моделируя за сверхмощным компьютером схему движения вихревых потоков, создаваемых шмелиными крыльями, и сделала окончательный вывод: «Шмель не нарушает аэродинамические законы. Его полет зависит от крыльевых завихрений. А при полете самолета воздух обтекает его».
Чжэн отметила, что миф о полете земляной пчелы – это следствие неграмотного понимания инженерами-авиаконструкторами нестационарной газово-вязкой динамики.
Лайнер, выстроенный со строгим соблюдением шмелиных пропорций, никогда бы не взлетел. Принципы работы крыльев земляной пчелы невозможно применить для авиастроения. Но в будущем, если появится модель вертолетов с гибкими, эластичными лопастями, полет шмеля пригодится авиаконструкторам!

Жираф

Что не так

Существование жирафа — нонсенс, так как даже их десятикилограммовое сердце не в состоянии поднять столб крови на высоту трех метров до головы из-за слишком высокого давления, которое заодно должно разрывать сосуды шеи. Жираф не может наклоняться: из-за прилива крови к голове неизбежен обморок. Давление в ногах жирафа составляет около 400 мм рт. ст. Для людей фатальны куда меньшие значения, и в сосудах наших ног давление не превышает 90 мм рт. ст.

На самом деле

Хотя у жирафов огромное сердце, относительно размеров тела оно оказывается вполне среднестатистическим. Только в 2016 году ученые выяснили, что требуемое для подъема крови усилие создается за счет необычного строения желудочков и их укрепленной стенки. Чуть ранее было показано, что сосуды шеи не разрываются благодаря чрезвычайной эластичности, а сосуды в ногах, наоборот, напоминают крепость — настолько утолщены их стенки. Кроме того, сосуды умеют очень сильно сжиматься, чтобы противостоять внешнему давлению. А кровь не приливает к голове, когда жираф наклоняется, так как скапливается в идущих вдоль шеи венах.

Колибри

Что не так

Если бы автомобиль ездил со скоростью колибри (относительно своих размеров), он бы развивал сумасшедшие 2090 км/ч — в 1,7 раза быстрее скорости звука! За секунду колибри перемещается на расстояние, в 380 раз превышающее длину ее тела. Самолет-истребитель за то же время преодолевает дистанцию в 38 раз больше собственной длины. Чтобы так разгоняться, птичкам приходится делать до 80 взмахов в секунду. При этом «полетный КПД» мышц крыльев не превышает 20%, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Учитывая, что колибри живут в жарком климате, а перья не дают теплу уходить в окружающую среду, птицы должны нагреваться до температур, несовместимых с жизнью.

На самом деле

Отвод тепла колибри долгое время оставался загадкой. Но в 2016 году исследователи при помощи высокочувствительных инфракрасных видеокамер смогли зафиксировать, как именно птицы охлаждаются в полете. Оказалось, что тепло отводится через несколько особых зон: вокруг глаз, на ногах, под крыльями и на животе. Температура этих областей в среднем на 8 °C выше температуры окружающего воздуха, и в зависимости от скорости полета организм колибри «выбирает», через какие зоны и с какой интенсивностью избавляться от лишних градусов. То есть секрет колибри — в ювелирном распределении теплоотводных зон и их тончайшей регуляции.

Физика в мире животных: стрекозы и их полет


Стрекоз можно назвать прирожденными летунами. В воздухе эти насекомые проводят очень много времени, причем большинство видов без труда показывают примеры техники высшего пилотажа. К примеру, стрекоза может зависать в воздухе, лететь очень быстро или очень медленно, неожиданно менять направление своего полета в любом направлении. У стрекоз четыре крыла, которые действуют независимо друг от друга. Можно было бы думать, что движения переднего и заднего крыльев синхронизированы таким образом, что оба крыла составляют как бы единое целое, одну плоскость. Но это вовсе не так.

Сразу стоит сказать, что принцип полета стрекозы не уникален, его используют многие насекомые, как двукрылые, так и четырехкрылые. В основе всего — возникновение тяги в том случае, если махи крыльями вниз совершатся быстрее, чем махи вверх. По сравнению с полетным аппаратом большинства насекомых, эта система у стрекоз значительно усложнена. Для чего? Дело в том, что это усложнение позволяет стрекозам выполнять в воздухе приемы, которые большинству других насекомых недоступны. Кроме того, стрекозы могут разгоняться до очень большой скорости в 40 километров в час.
При ближайшем рассмотрении размещения крыльев стрекозы можно видеть, что расстояние между сочленениями передних и задних крыльев гораздо меньше, чем ширина этих крыльев. И даже, если они разведены довольно широко, все равно, при встречных движениях такие крылья должны зацепляться друг за друга. На самом деле, стрекоза не испытывает никаких неудобств в полете. Они старается (хотя «старается» — немного не то слово) совмещать контуры передних и задних крыльев. При полете вперед крылья стрекоз расходятся, а при схождении хлопают друг по другу.
Причем в этом случае плоскости верхних и нижних крыльев вовсе не параллельны. Задние кромки крыльев при движении несколько отстают в своем движении от передних. Так что при взмахах верхние и нижние крылья формируют схлопывающийся клин, вследствие чего назад выбрасывается струя воздуха, создавая реактивную силу, толкающую стрекозу вперед. Специалисты говорят, что компоновка крыльев стрекозы оптимальна для полета.

В результате в большинстве случаев стрекозы летают быстрее, чем их жертвы. Кроме того, эти насекомые могут выполнять практически любые маневры, очень быстро поворачивая в стороны, пикируя вниз или поднимаясь вверх. Мало какие насекомые способны избежать столь быстрого охотника.
Интересно, что раньше ученые считали, что использование столь сложного летательного аппарата требует от стрекоз больших физических затрат. Ученые из Ульмского университета в Германии и Королевского ветеринарного колледжа в Лондоне не так давно решили проверить это утверждение. Для того, чтобы это сделать, специалисты разработали роботизированную стрекозу. Ее поместили в минеральное масло, через которое пропускали газ. Вверх поднимались пузырьки, которые моделировали движения воздуха вокруг крыльев в полете. Механическую стрекозу оснастили датчиками, при помощи которых ученые измеряли ту силу, которая требуется для поднятия или опускания крыла.
Так вот, авторы исследования получили данные, которые ясно показывают: стрекозы используют специальный алгоритм полета, который позволяет увеличить эффективность работы крыльев этих насекомых на 22% по сравнению с летающими насекомыми, у которых два крыла. Дело в том, то при прохождении определенной части пути заднее крыло стрекозы улавливает поток воздуха от движения крыла, которое находится спереди и определенным образом отталкивается от него. Важным моментом является еще и то, что крылья стрекоз изгибаются от оснований к верхушкам. Это позволяет отбрасывать воздух без особых проблем подобно тому, как отбрасывают его крылья птиц. Результаты изучения полета стрекоз этой группой исследователей были опубликованы в издании Journal of the Royal Society Interface.

Что касается боковых маневров, то стрекозы делают это благодаря разбалансу крыльев. Для того, чтобы получить возможность быстро сместиться влево, стрекозе необходимо увеличить амплитуду махов у правой пары крыльев. Опрокидывание стрекозы становится маловероятным, если учесть умение этих насекомых работать с положением брюшка. При полете налево, чтобы не произошло смещение, стрекоза изгибает брюшко вправо. Кстати, для того, чтобы повернуть вправо, стрекозе нужно начать немного схлопывать левую пару крыльев. В результате этого маневра крылья отбросят определенное количество воздуха назад и насекомое повернется вправо.
Кстати, ранее считалось, что утолщения на передней кромке крыла стрекозы предназначены для нивелирования так называемого флаттера. Этот термин обозначает колебания жестких крыльев. Сейчас некоторые ученые полагают, что эти утолщения работают в качестве амортизаторов, облегчающих разведение верхних и нижних крыльев. Если бы не этот фактор, то верхние и нижние крылья могли бы схлопнуться и стрекоза не смогла бы больше нормально летать.

Интересно, что при наборе скорости стрекоза буквально таранит своих жертв. Сила удара при этом очень высокая. Но стрекоза не страдает от столкновений благодаря своему прочному и эластичному хитиновому покрову. А вот жертвам стрекоз везет меньше, они теряют способность двигаться или даже умирают от подобных столкновений.
В целом, стрекозы — идеальная машина для полета и охоты. Организм насекомого состоит из нескольких уникальных элементов, каждый из которых сложен, но эффективен.