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.

В данной книге школьник и юный натуралист найдут материал для внеклассного чтения, а также дополнительный и справочный материал к учебнику зоологии.

Отдельные очерки не связаны между собой, поэтому не обязательно читать всю книгу подряд.

Книга знакомит читателя с разнообразием животного мира СССР и зарубежных стран. Попутно приводятся сведения о значении животных в природе, хозяйственной деятельности человека.

Часть материала изложена в форме вопросов и ответов. Раздел «Рассказы о насекомых» написан кандидатом биологических наук Ю. М. Залесским.

В третьем издании текст местами изменён и дополнен; внесены необходимые исправления, добавлено несколько новых рисунков. Глава «Зоология в вопросах и ответах» дополнена новыми вопросами; порядок их распределения изменён в соответствии с зоологической системой.

Я. Цингер

Книга:

Как летают насекомые

<<< Назад

Вперед >>>

Как летают насекомые

Большинство населяющих Землю насекомых имеет крылья. Правда, крыльями обладают только насекомые на взрослых стадиях развития. Как известно, ни личинки, ни нимфы, ни куколки не летают. У одних насекомых, как например у стрекоз, бабочек, перепончатокрылых, жуков - четыре крыла, у других: мух, комаров, некоторых подёнок - два крыла. Каждое насекомое имеет свои особенности полёта, каждое летает по-своему, но у многих из них есть общее в полёте. Прежде всего в основе их полёта лежит взмах крыльями - полёт машущий.

Наиболее простым взмахом крыльев обладают подёнки - они взмахивают каждым крылом сверху вниз и лишь немного ставят его под углом к набегающему навстречу потоку воздуха. Наиболее сложным взмахом крыльев обладают двукрылые (комары и мухи), а также перепончатокрылые (пчёлы , осы, крылатые особи муравьёв). Крылья их взмахивают так, что конец каждого крыла, если насекомое неподвижно, описывает в воздухе восьмёркообразную кривую. Взмахивая вниз, крыло в начале взмаха расположено почти горизонтально. Опускаясь вниз, оно одновременно заносится вперёд, а внизу переворачивается так, что, поднимаясь вверх, уже своим передним краем идёт вверх и назад. Такие взмахи повторяются с большой частотой. Каждое крыло работает, как пропеллер.

Стрелки указывают направление движения: А - опускание крыла (V положение изображено пунктиром); Б - поднимание крыла (положение I изображено пунктиром).

Внизу - те же положения крыла на синусоиде. Точка - передний край крыла, черта - пластинка крыла.

Такую восьмёрку можно наблюдать только у неподвижно закреплённого насекомого, когда оно взмахивает крыльями. При полёте же, когда насекомое движется вперёд, эта восьмёрка растягивается и конец крыла описывает волнообразную кривую (синусоиду).

У перепончатокрылых - четыре крыла, но переднее и заднее крылья каждой стороны тела соединены в полёте особой зацепкой из крючков, так что правая и левая пары крыльев действуют вместе как одно крыло.

Управление в полёте у насекомых достигается почти исключительно крыльями. Изменение направления плоскости взмахов крыльями сказывается на изменении направления полёта. Этим достигается изменение полёта на поступательное движение вперёд, назад, полёт на одном месте или висение в воздухе («стоячий» полёт), подъём вверх, повороты вправо и влево. Мухи - одни из самых поворотливых в полёте насекомых. Они часто делают резкие прыжки вбок. Достигается это внезапным выключением крыльев одной стороны тела - движение их на мгновение приостанавливается, тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается прыжок в сторону от первоначального направления полёта.

Пчёлы в полёте." class="img-responsive img-thumbnail">
Пчёлы в полёте.

Такие насекомые, как подёнки, могут также изменять направление полёта и слегка рулить, меняя положение брюшка и расположенных на его конце хвостовых нитей.

Насекомые, летая, очень часто машут крыльями, так часто, что отдельные взмахи крыльев человеческим глазом рассмотреть не удаётся. Мы часто можем слышать, как жужжат в полёте пчела или жук. Что значит это жужжание?

Звук - это колебания воздуха, которые мы улавливаем ухом. Чем чаще колебания воздуха, тем выше по тону звук. Навозный жук делает до 87 взмахов крыльями в секунду, звук, возникающий при этом, - жужжание сравнительно низкого тона. Комар, летая, производит крыльями до 594 взмахов в секунду, поэтому звук, возникающий в результате его полёта, такой высокий и напоминает писк.

Частоту взмахов крыльями можно определить по высоте производимого ими звука. Надо только учесть, что наиболее высокая нота соответствует удвоенному числу колебаний в секунду, так как каждый взмах крыла даёт две волны колебаний воздуха.

Так, например, у медоносной пчелы высокая нота соответствует 440 двойным колебаниям в секунду, т. е. 220 взмахам в секунду. И действительно, как показывают наблюдения, пчела производит в среднем около 260 взмахов в секунду.

Разные насекомые, летая, машут крыльями с различной частотой, причём у двукрылых и бабочек число взмахов увеличивается при повышении температуры воздуха, а у перепончатокрылых и жуков частота взмахов крыльев не зависит от температуры. Реже всего машут крыльями дневные бабочки. Махаон делает 5 взмахов в секунду, брюквенница - 6, а траурница - 10 взмахов в секунду. На расстоянии полуметра полёт бабочек кажется совсем беззвучным, однако если дневная бабочка пролетит у самого уха, то можно услышать звук очень низкого тона, производимый её крыльями. Ночные бабочки обычно машут крыльями чаще. Совки (рода агротис) делают 37–48 взмахов в секунду, а глазчатый бражник - 37–41 взмах.

Бражники, особенно небольшие языканы, производят низкое гуденье, слегка напоминающее жужжание шмеля.

Вверху - заметная волна, пробегающая по крыльям (по киносъёмке). Внизу - «стоячий» полёт бражника, сосущего нектар.

Шмель делает от 123 до 233 взмахов в секунду, а обыкновенная оса - 165–247. Комнатная муха делает 147–220 взмахов в секунду. Однако чаще всех машут крыльями комары-дергуны, которые иногда роями толкутся в воздухе. Их личинками часто кормят аквариумных рыб - это так называемый мотыль, ярко-красные подвижные червячки. Их рыболовы насаживают на рыболовный крючок, используя как наживку для ужения рыбы.

Дергун мохнатоусый делает от 196 до 494 взмахов в секунду, а другие представители этого большого семейства дергунов производят даже до тысячи взмахов в секунду.

Сколько энергии нужно затрачивать насекомым на полёт при взмахивании крыльями с такой частотой! Как часто сокращаются их мышцы! Однако опыты показали, что пчела, летая за взятком на расстояние 3 километра, расходует всего 0,00035 грамма сахара. Зобик пчелы содержит обычно 0,02 грамма нектара. При концентрации сахара в нём в 20 процентов это количество равно 0,004 грамма чистого сахара. Следовательно, даже при расстоянии в 3 километра полёт пчелы вполне рентабелен, так как расход сгорающего питания в виде сахара не превышает 9 процентов груза.

Если мы возьмём пчёл или шмелей и посадим их в инсектарий или большую стеклянную банку, затянутую сверху марлей, то часа через 2–2,5 они погибнут от голода, так как, летая, израсходуют все свои силы и весь запас питания. Если же мы посадим их в тесную коробку с дырочками, где они не смогут летать, насекомые проживут гораздо дольше и сохранят способность к полёту.

Если же при первом опыте мы будем их подкармливать, то они долгое время не погибнут. Полёт требует от насекомого большого расхода энергии.

Есть киноаппарат («лупа времени»), при помощи которого можно делать моментальные снимки с очень большой скоростью. Если снять летающих насекомых со скоростью 2000 или 3500 кадров в секунду, а затем просматривать на экране снятый фильм со скоростью 16 кадров в секунду, т. е. соответственно в 125 и 219 раз медленнее, то можно увидеть все движения крыльев насекомых и рассмотреть, как они летают.

Оказывается, полёт бабочек, особенно дневных, сильно отличается от полёта других насекомых. Правая и левая пары их крыльев при взмахах приближаются друг к другу над туловищем и под ним. Над спиной крылья даже часто полностью встречаются и иногда ударяются друг о друга, издавая звук. Крылья правой и левой стороны взмахивают одновременно, так как переднее и заднее соединены друг с другом и обычно для этой цели обладают специальной зацепкой. При сближении крылья сначала соприкасаются передними краями, а затем всей плоскостью. Благодаря этому крылья как бы выдавливают оказавшийся между ними воздух. То же происходит при встрече крыльев под телом при взмахе вниз. Кроме того, при таком замедленном просмотре скоростного фильма видно, как крылья бабочек плавно изгибаются, по их крыльям пробегает волна от переднего края к заднему, и они как бы плавают, медленно шевеля крыльями.

А - адмирал; Б - крапивница.

Стрекоза пользуется самыми различными приёмами в полёте; то она взмахивает попеременно передними и задними крыльями, то вдруг переходит на планирующий полёт на распростёртых неподвижных крыльях, то опять взмахивает крыльями, но на этот раз сразу вместе и передними и задними. Наблюдались случаи, когда стрекоза делала взмахи одной передней парой крыльев, держа спокойно распростёртой заднюю пару. Часто можно видеть, как стрекоза висит неподвижно в воздухе, как бы «стоит», взмахивая крыльями на одном месте. Стрекоза может также в полёте двигаться не только вперёд, но и назад, а, преследуя ускользающую добычу (мелких насекомых), может взмывать на короткое расстояние вверх почти вертикально.

Аэродинамикам известно явление, называемое фляттер . Это вредные колебания крыла в полёте, которые у скоростных самолётов могут достигать опасных размеров, так что крылья даже ломаются. Техники долгое время искали способы погашения этих вредных колебаний. Гибли модели новых испытываемых самолётов, погибали и лётчики-испытатели, но конструкторы долго не могли найти правильного решения задачи. Наконец, задача была решена: противофляттерное устройство было найдено. У передней кромки на конце каждого крыла делалось утяжеление (в простейшем случае запаивалась свинцовая гиря) - оно гасило вредные колебания.

Машущий полёт насекомых, и в частности полёт стрекоз, также обладает вредными колебаниями. Природа в течение веков вырабатывала приспособления для борьбы с фляттером. Это приспособление отчётливо выражено у большинства стрекоз. На каждом крыле в вершинной его части у переднего края имеется тёмное хитиновое утолщение - птеростигма, или крыловый глазок. Удаление этого глазка, не лишая стрекозу возможности летать, нарушает правильность колебаний крыла, стрекоза начинает как бы порхать. Опыты показали механическое значение этих образований, регулирующих колебания крыла. Глазок оказался приспособлением, избавляющим машущее крыло от вредных колебаний типа фляттер. Если бы это значение крылового глазка у стрекоз было бы известно раньше, чем техники изобрели противофляттерное устройство у самолётов, то, заимствовав его у насекомых, можно было бы избежать долгих поисков.

У жуков, когда они не летают, передние жёсткие крылья, или надкрылья, накрывают и защищают сложенные задние перепончатые крылья. Надкрыльями жуки почти не пользуются в полёте; надкрылья только слегка качаются в такт взмахам задних крыльев. В полёте надкрылья жуки держат под некоторым углом друг к другу - в виде латинской буквы V. Это обеспечивает поперечную устойчивость жуков в полёте, так же как V-образно приподнятые крылья у самолёта обеспечивают его устойчивость при поворотах. Когда самолёт поворачивает, он накреняется и ложится на одно крыло, другое при этом поднимается кверху. Набегающий на крыло воздух давит на его поверхность и возвращает к прежнему положению, выправляя самолёт.

Жуки из семейства бронзовок летают со сложенными надкрыльями, выставляя из-под них перепончатые крылья. Полёт бронзовок обладает большой маневренностью.

Самой большой скоростью полёта обладают бабочки-бражники и слепни : они развивают скорость от 14 до 15 метров в секунду. Стрекозы летают со скоростью 10 метров в секунду, жуки-навозники - до 7 метров в секунду, майские жуки - до 3 метров в секунду, пчёлы - до 6,7 метра в секунду.

Однажды наблюдали, как крупная стрекоза не отставала от самолёта, летевшего со скоростью 144 километра в час, и временами даже обгоняла его.

Скорость полёта насекомых в сравнении с птицами мала. Если шмель делает 18 километров в час, то ворона - 50 километров, скворец - 70, а стриж - 100 километров. Рекордная скорость винтомоторного самолёта - 900 километров в час.

Однако если подсчитать, с какой скоростью двигаются вперёд шмель, стриж, скворец, ворона и самолёт на расстояние, равное длине собственного тела, то оказывается, что относительная скорость будет меньше всего у самолёта и больше всего у насекомых.

<<< Назад

Вперед >>>

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.

Новосибирский государственный технический университет.

Реферат по курсу спец. главы физики

"Как насекомые создают силы, необходимые для полета."

Факультет: РЭФ

Группа РФ 1-92

Выполнила: Вохмина Н.В.

Новосибирск 2000.

Введение.

Кто из нас не любовался бесшумным полетом бабочек на залитой солнцем лужайке или стремительными бросками мухи – журчалки над цветущей геранью? Кто не замирал от удивления, следя за виртуозными движениями стрекоз, гоняющихся друг за другом вдоль берега? Все мы отдаем должное полетному мастерству этих крохотных существ. Но самое поразительное состоит в том, что насекомые научились летать очень давно – не менее трети миллиарда лет прошло с тех пор, как насекомые порхают и носятся над поверхностью Земли. А наши знания о том, как работает крыловой аппарат, до сих пор поверхностны.

Ключевым вопросом в изучении полета насекомых остается проблема создания аэродинамических сил в машущем полете. Выяснить природу этих сил пытались еще первые исследователи полета насекомых. Немецкий исследователь Е.Хольст в 1943 году первым экспериментально доказал, что господствовавшие ранее представления о полете насекомых как о гребном не соответствуют принципу работы машущего крыла. На смену упрощенным и неточным представлениям об отбрасывании воздуха пришел так называемый квазистационарный подход, при котором аэродинамические процессы сводились к теории стационарных состояний, поддающихся расчету методами классической аэродинамики. Исследование полета саранчи в Лондонском противосаранчовом центре (The Antilocust Research Centre), в 1956 году показало высокое совпадение расчетных данных с реально измеренными средними значениями аэродинамических сил. Несмотря на общепризнанность квазистационарного подхода, никому больше не удавалось добиться соответствия расчетных значений сил реальным, что заставляет предполагать наличие дополнительных аэродинамических сил. Кроме того, многие авторы отмечают нестационарный характер создаваемых в полете сил и необычное поведение воздушных струй за летящим насекомым.

Физические основы полета.

Локомоция в сплошных средах (воздухе и воде) настолько отличается от передвижения на границе раздела сред, что заслуживает особого внимания природа сил, делающих такое движение возможным. Сплошная среда представляет собой континуум, в котором не на что опереться, не от чего оттолкнуться. В вязкой жидкости, каковой является вода и воздух, возможны две основные формы движения: ламинарное, или слоистое, когда линии тока параллельны друг другу, и турбулентное, при котором происходит перемешивание жидкости. В турбулентных течениях скорость и давление в каждой точке пространства непостоянны и характеризуются нерегулярными высокочастотными пульсациями.

Всякое тело, движущееся в сплошной среде, испытывает на своей поверхности нормальные и касательные напряжения. Их результирующая представляет собой силу полного сопротивления среды движению тела, причем вектор силы полного сопротивления далеко не всегда совпадает с направлением движения. Проекция полного сопротивления тела на ось х в скоростной системе координат (ось х направлена вдоль скорости движения, ось z перпендикулярна к ней в горизонтальной плоскости, а ось у - в вертикальной) есть лобовое сопротивление, проекция же на ось у при положительном у есть подъемная сила, при отрицательном – в зависимости от того, где происходит движение, либо топящая (в воде), либо отрицательная подъемная сила (в воздухе). Лобовое сопротивление складывается из сопротивления трения и сопротивления давления или сопротивления формы (разности давлений впереди и позади тела). Количественно лобовое сопротивление и подъемная сила выражаются формулами:

где S – некоторая характерная площадь тела, V - скорость движения, r- плотность среды, с х и с у – безразмерные коэффициенты соответственно лобового сопротивления и подъемной силы. Они зависят от формы движущегося тела, его ориентации в пространстве, но, прежде всего от соотношения сил инерции (они проявляются в давлении на поверхность тела) и трения, которые определяются вязкостью. Соотношение этих сил дает безразмерный комплекс, численное значение которого должно быть одинаковым у подобных течений. Иными словами, речь идет о масштабном критерии, который дает возможность сравнивать движение различных объектов, имеющих разные характеристики. Этот комплекс получил название числа Рейнольдса (Re):

где l – характерный размер, m - вязкость среды, r- плотность среды.

Диапазон Re биологических объектов достаточно велик – от 10 -6 (бактерии) до 10 7 (крупные китообразные). Этот ряд начинают мелкие организмы, движение которых целиком зависит от вязкости, и заканчивают крупные плавающие, на движение которых оказывают влияние в основном силы инерции. Стоит инфузории перестать двигать ресничками, как она тут же останавливается. Рыбе же достаточно один раз ударить хвостовым плавником, чтобы сравнительно долго скользить вперед. Когда такое мелкое насекомое, как трипс, перестает двигать крыльями, оно останавливается, птица же при этом продолжает по инерции двигаться вперед.

По мере увеличения роли инерционных сил с ростом Re в движении животных все большее значение приобретает подъемная сила. При Re = 10 3 подъемная сила в три раза и более превышает лобовое сопротивление. Так, для крыла мухи – каллифоры отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению равно 3:1, а у более крупных насекомых оно еще больше. Там, где силы инерции преобладают над силами трения, движение животных основано главным образом на использовании подъемной силы.

Строение крылового аппарата.

Локомоторным центром насекомого является грудь. Два ее сегмента – средне – и заднегрудь, которые снабжены крыльями - объединяют под общим названием "птероторакс". В крыловых мышцах груди осуществляется переход энергии из химической формы в механическую. Таким образом, птероторакс можно сравнить с двигателем летательного аппарата. Усилие сокращения мышц передается на крылья через скелет и систему мелких пластинок в корне крыла. Крылья совершают взмахи и генерируют аэродинамические силы.

Крыло насекомого представляет собой уплощенный вырост стенки грудного отдела, покрытого двумя слоями кутикулы, прочно соединенными друг с другом. Дорсальная поверхность крыла постепенно переходит в спинной отдел скелета, вентральная – в боковую стенку сегмента. В области сочленения находятся уплотненные участки скелета – склериты, их взаимное расположение между краем спинки и крылом характеризуется строгой упорядоченностью, здесь же сосредоточен ряд суставов .

Крылья насекомых в отличие от крыльев летающих позвоночных животных лишены собственной мускулатуры и приводятся в движение сокращениями мышц груди. (рис.1). Морфункциональную связь между мышцами и крыльями осуществляют скелет птероторакса и крыловые сочленения. Усилие от сокращения мышц передается сперва на спинную область сегмента – тергум, а затем на основание крыльев. Крыло насекомого представляет собой рычаг первого рода и для того, чтобы поднять или опустить его, совсем необязательно прикладывать усилие к длинному плечу – пластине крыла. Достаточно на небольшой угол опустить или поднять короткое плечо, надавив на него краем спинки (рис. 1). Последняя уплощается или выгибается под действием мышц, называемых мышцами непрямого действия.От этой схемы резко отличается работа летательного аппарата у стрекоз. У них крыловые мышцы прикрепляются непосредственно к основаниям крыльев (рис. 1). Такие мышцы, называемые крыловыми мышцами прямого действия, при сокращении тянут крылья за основания вниз, опуская их на некоторый угол. У всех прочих насекомых мускулы – опускатели относятся к крыловым мышцам непрямого действия, так как прикрепляются не к основаниям крыльев, а к двум складкам спинки спереди и сзади от крыла. Когда такие мышцы сокращаются, спинка аркообразно выгибается, приподнимая основания крыльев, вследствии чего их лопасти опускаются. Мускулы – подниматели опускают спинку, а с ней и основания крыльев, что приводит к движению крыльев вверх. У стрекоз мускулы – подниматели опускают спинку, а с ней и основания крыльев, что приводит к движению крыльев вверх. У стрекоз мускулы – подниматели прикрепляются близко друг к другу на спинке, а сама спинка маленькая и не играет большой роли в движении крыльев, однако крыловые мышцы прямого действия развиты у них сильнее, чем у других насекомых. Такая система движения крыльев неспособна обеспечить их быстрые взмахи, но обладает тем преимуществом, что каждое из четырех крыльев работает независимо. Это позволяет стрекозам совершать в воздухе различные сложные маневры. Все прочие насекомые (мухи, перепончатокрылые, клопы) мало уступают стрекозам в маневренности, которая достигается взмахами крыльев правой и левой сторон с подчас очень высокой частотой. Кроме того, большинство насекомых обладают способностью изменять наклон плоскости взмаха по отношению к продольной оси тела.

Подходы нестационарной аэродинамики.

Рассмотрим природу сил, создаваемых при взмахе крыла насекомого. Крыло, совершающее колебательные движения, то ускоряется, то тормозится, в крайних точках взмаха оно испытывает вращение вокруг своей продольной оси. Такое движение нестационарно, и для его описания непригодны методы, разработанные в классической аэродинамике для крыла или для пропеллера. Тем не менее существуют подходы, цель которых состоит в приближении существующих классических методов к сложной картине движения крыльев насекомых при взмахах. Два из них наиболее популярны. При описании машущего полета на базе квазистационарного подхода, допускают, что крыло насекомого – тонкая пластинка, обтекаемая потоком с постоянной скоростью (силовые коэффициенты постоянны по размаху и по времени), а аэродинамическое взаимодействие между правым и левым крыльями отсутствует.

В центре современной теории крыла находится постулат Чаплыгина – Жуковского: задняя кромка крыла является линией, по которой стекает поток с верхней и нижней поверхностей крыла. Как только крыло начинает двигаться (рис. 2, а, 1), на его задней кромке образуется вихрь (рис. 2, а, 2). Этот вихрь быстро растет до тех пор, пока не прекратится движение жидкости вокруг задней кромки крыла, то есть пока она не станет линией схода потока с верхней и нижней поверхностей (рис2, а, 3). Как только это произойдет, вихрь отрывается и уносится с потоком. Отрыв разгонного вихря индуцирует циркуляцию определенной величины вокруг крыла, которую можно представить так называемым присоединенным вихрем (рис. 2, а, 2). Направление его вращения противоположно таковому разгонного вихря. Наложение набегающего потока на циркуляцию вокруг крыла создает знакомое из классической аэродинамики распределение давление по аэродинамическому профилю (рис. 2, б), в связи с чем величина подъемной силы, приходящейся на единицу размаха крыла, определяется из теоремы Жуковского

где Г- циркуляция потока вокруг профиля. Зависимость коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки выражается посредством поляры Лилиенталя, которую можно представить как кривую, описываемую вектором полной аэродинамической силы R при изменении угла атаки (рис. 2,в). В свою очередь, полная аэродинамическая сила раскладывается на вертикальный (подъемная сила Y) и горизонтальный компонент (сопротивление крыла Q).

В соответствии с этим подходом обтекание крыла, совершающего взмахи, рассматривается как последовательность отдельных стационарных ситуаций, когда изменениями угла атаки и скорости набегающего потока можно пренебречь. Моментов, удовлетворяющих квазистационарному подходу, в цикле взмаха два: один из моментов приходится на большую часть нисходящей ветви траектории, другой на нижнюю треть восходящей (рис. 2, г). При движении вниз крыло создает подъемную силу и тягу, при махе вверх – тягу и отрицательную подъемную силу. Создает ли крыло какие – либо силы в другие фазы взмаха, неизвестно, так как процессы, происходящие в верхней и нижней точках траектории, не поддаются описанию с позиции квазистационарного подхода.

Можно взглянуть на проблему создания аэродинамических сил машущим крылом и с другой стороны. В результате взаимодействия движущихся крыльев с потоком воздуха последний ускоряется и отбрасывается вниз и назад. Импульс силы, получаемый насекомым, направлен вперед и вверх. Оценка создаваемых сил по импульсу потока воздуха, отбрасываемому машущими крыльями, широко применяется при изучении особого режима машущего полета, когда насекомое как бы висит на одном месте. Подобно тому, как поступательный полет стараются понять, применяя теорию крыла самолета, так для зависающего полета пытаются применить теорию пропеллера. Все теории пропеллера сводятся, в конечном счете, к тому, как образуется и отбрасывается струя воздуха. В соответствии с данным подходом параметры взаимодействия крыльев с потоком не принимаются во внимание и рассматриваются как черный ящик, на выходе которого имеется поток, ускоренный работающими крыльями.

Аэродинамические силы генерируются благодаря тому, что над машущими крыльями создается зона пониженного давления, а под ними – зона повышенного давления. Импульс силы, получаемый насекомым, равен по величине и противоположен по направлению момент сил, переданному машущими крыльями окружающей среде. Как следствие взаимодействия машущих крыльев с воздухом за летящим насекомым остается аэродинамический след, структура которого содержит информацию о природе сил, создаваемых в машущем полете.

Как образуются вихревые кольца.

Рассмотрим работу машущего крыла с позиции принципов, заложенных в обоих подходах. Как только крыло начинает двигаться, у его задней кромки образуется разгонный вихрь. Этот вихрь через концевые вихри смыкается с циркуляционным потоком вокруг крыла, образуя кольцо (рис. 3 ,а). При внезапной остановке движущего крыла слой приторможенного воздуха, наиболее близкий к поверхности профиля (пограничный слой), верхней дужки профиля, движущейся более быстро, нежели на нижней дужке, обтекая заднюю кромку, сворачивается в вихрь, который имеет противоположное по сравнению с разгонным направление вращения и такую же по величине интенсивность; он называется тормозным вихрем. Таким образом, движущее крыло несет вихревое кольцо, которое освобождается при его остановке.

Если теперь представить, что крыло совершает колебания в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку, то поочередно отделяющиеся от крыла разгонные и тормозные вихри образуют цепочку сцепленных друг с другом вихревых колец (рис. 3, б). Кольцо, образовавшееся при махе вниз, будет обладать импульсом, направленным вниз и назад, и в то же время крыло из-за перепада давления на его верхней и нижней поверхностях разовьет подъемную силу и тягу и отрицательную подъемную силу, а кольцо, образовавшееся в это время, будет обладать импульсом, направленным вверх и назад. Следовательно, в возмущениях, которые производят в воздухе машущие крылья, или, иначе в аэродинамическом следе, который они оставляют, как бы в зашифрованной форме содержится информация о характере взаимодействия крыльев с воздушными потоками. Структура следа – своего рода ключ к пониманию природы сил, создаваемых машущими крыльями.

Эволюция аэродинамики полета насекомых.

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.

Заключение.

Таким образом, объяснение природы сил, создаваемых машущими крыльями, нельзя свести исключительно к квазистационарному действию крыла. У многих насекомых при взмахе вверх, когда ранее образовавшееся кольцо расширяется и ускоряет струю воздуха назад, возникает кратковременный импульс силы, происхождение которого следует отнести на счет нестационарного действия крыла. Значение механизма, аналогичного реактивному, когда насекомое отбрасывает назад вихревые кольца, резко усиливается по мере того, как непрерывная цепочка колец разрывается. Существенную роль в этом играют особые движения крыльев, в частности их хлопок в верхней или нижней точке взмаха. Немецкий исследователь В. Нахтигаль рассмотрел несколько особых движений крыльев, которые могут иметь значения с точки зрения создания аэродинамических сил способом, отличным от квазистационарного. Эти движения крыльев порождают различные, еще недостаточно изученные нестационарные эффекты, роль которых в полете, несомненно, возрастает по мере того, как наблюдается рост частоты взмаха крыльев.

Литература.

1. Шмидт – Ниельсон К. Размеры животных: Почему они так важны? М.: Мир, 1987. 260с.

2. Бродский А.К. Механика полета насекомых и эволюция их крылового аппарата. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 207 с.

3. Захваткин Ю.А. Курс общей энтомологии. М.: Агропромиздат, 1986. 320 с.

4. Brodsky A.K. The Evolution of Insect Flight. Oxford: Oxford Univ Press, 1994. 229 p.

5. Бродский А.К., Львовский А.Л. Пауки, насекомые. Л.: Ленинздат, 1990. 140 с.

Но и бабочки, жуки, стрекозы и другие насекомые, которые радуют глаз своими причудливыми формами, рисунком и гаммой цветов, а также пением, грациозными движениями. Значение насекомых для жизни человека хорошо освещено в учебной и научно-познавательной литературе. Поэтому мы остановимся лишь некоторых вопросах, дополняющих сведения о сотрудничестве человека с этими удивительнейшими представителями...

Дефолиация, т. е. уничтожение листвы. Голодные личинки бабочек могут буквально оголять поля, огороды и даже лесные насаждения. 1. Характеристика отряда Чешуекрылые, или Бабочки Отряд бабочек именуется «лепидоптера», что значит «чешуекрылые» - второй по числу видов (после жуков) отряд насекомых с полным превращением. В настоящее время известно 140 тысяч, а по некоторым данным – даже 200 ...

Появляющихся на свет малышей дана разная степень готовности к самостоятельной жизни, в зависимости от их видовой принадлежности. При всей кажущейся простоте или сложности репродуктивного поведения насекомых – это всегда удивительно целесообразный комплекс инстинктивных действий. Он связан с сохранением видовой жизни животного. Большинство насекомых характеризуется высокой плодовитостью и не...

Половых партнеров, отпугивания соперников и врагов, а высокочувствительное обоняние способно улавливать запах этих веществ даже за несколько километров. Многие в своих представлениях связывают органы чувств насекомых с головой. Но оказывается структуры, ответственные за сбор информации об окружающей среде, находятся у насекомых в самых различных частях тела. Они могут определять температуру...

Разоблачаем! Шмель летать не должен? November 30th, 2016

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!

источники