Строение крыльев

Когда и откуда появились крылья у насекомых и как шла эволюция полета этих животных, мы не знаем в точности и сегодня. Одни исследователи полагают, что крылья насекомых ведут свою историю от так называемых трахейных жабр, которые и в настоящее время можно увидеть в виде боковых складок тела у некоторых водных личинок. Другие ученые (их большинство) считают, что к жабрам крылья насекомых никакого отношения не имеют и что возникли они из боковых выростов тергитов (нотумов) груди. Это наиболее распространенная в энтомологии паранотальная гипотеза. Имеются и другие точки зрения на проблему происхождения крыльев.

Не касаясь подробно всех гипотез и связанных с ними рассуждений, отметим лишь, что крылья у насекомых - это не видоизмененные конечности, как у других летающих животных (птиц и летучих мышей), а плоские выросты, точнее, складки, стенки тела, своеобразные придатки двух задних сегментов груди. Эти складки располагаются между тергитом и плейритом и с помощью эластичных мембран подвижно соединяются с особыми склеритами.

Таким образом, еще одна любопытная ситуация: насекомые в отличие от всех других летающих животных приобрели способность к полету, не заплатив за это потерей части своих конечностей.

Хотя крыло насекомого представляется нам цельной пластинкой, в действительности оно двуслойно. При этом верхний и нижний слои разделены очень тонкой щелью, которая составляет продолжение полости тела. В местах залегания трахей и нервов на крыле образуются характерные трубчатые утолщения - жилки, составляющие каркас крыла (рис. 4). Жилки могут быть продольными и поперечными. Их положение отличается исключительной стабильностью, и особенности жилкования используются в систематике насекомых в качестве одного из наиболее существенных признаков. Между жилками располагается эластичная и тонкая кутикула, создающая основную поверхность крыла (поверхность жилок сравнительно мала). Установлено, что различные участки поверхности крыльев выполняют в полете различную функцию.

Крылья многих насекомых исследовала с помощью сканирующего (растрового) электронного микроскопа О. М. Бочарова-Месснер. Ею показано, что на поверхности крыла имеется множество различных микроструктур: желобков, шипиков, чешуек, ребрышек, волосков и т. п. (фото III). Как мы увидим в дальнейшем, некоторые из таких структур являются миниатюрными датчиками, сигнализирующими в центральную нервную систему насекомого о характере движения и положении крыла, состоянии воздушного потока, в котором осуществляется полет насекомого. Однако на поверхности крыла немало и кутикулярных образований, не являющихся органами чувств. Полагают, что эти микроструктуры крыла влияют на его аэродинамические показатели.

Рассматривая строение крыла, необходимо сказать еще об одном интересном образовании, найденном на крыльях насекомых некоторых отрядов. Это образование представляет собой небольшое утолщение кутикулы, имеет темную окраску и располагается вблизи вершины крыла, у его переднего края. Названо оно «краевым глазком» (птеростигмой). Считают, что, по крайней мере, у стрекоз пгеростигма является не чем иным, как приспособлением, устраняющим вредные колебания крыла во время его движений в полете. Не исключено, что проблема флаттера (вибрации крыльев самолетов, ведущих к их разрушению и аварии) в авиации была бы решена значительно раньше, если бы исследователи обратили внимание на маленькое утолщение, созданное природой на крыле насекомого.

Крылья насекомых разных отрядов по форме, размерам, развитию различно функционирующих в полете частей неодинаковы (В ряде случаев неодинаково развиты крылья даже у представителей одного и того же вида насекомых (у самцов и самок). Так, у самки бабочки зимней пяденицы крылья недоразвиты, и насекомое с их помощью летать не может. Рудиментарны крылья и у самок бабочек некоторых других видов (например, у шелкопряда античная волнянка). У самок же бабочек-психей крыльев и вовсе нет. Отсутствуют крылья у самок червецов (полужесткокрылые), всех веерокрылых, австралийских остиннид (пере­пончатокрылые). Любопытно, что самцы этих насекомых летают, и часто очень хорошо. Такое «неравноправие» в обеспечении крыльями является ярким выражением полового диморфизма. Нужно сказать, однако, что половые особенности насекомых находят свое отражение не только в бескрылости или короткокрылости самок. Так, самки муравьев и термитов имеют вполне нормальные крылья и способны летать, но после оплодотворения сбрасывают их и уже до конца жизни остаются нелетающими. Полная бескрылость характерна для определенных поколений в половом цикле тлей). Значительно различаются насекомые и по манере располагать крылья в состоянии покоя. Некоторые насекомые вообще не умеют складывать крылья и держат их в покое распростертыми в стороны или отведенными несколько кзади. По А. В. Мартынову, это древнекрылые насекомые. Другие крылатые насекомые научились складывать крылья и тем самым приобрели громадные преимущества в борьбе за существование. Ведь, сделав свое тело более компактным, они смогли жить в новых, ранее недоступных им «квартирах»: в расщелинах, под камнями, в толще травы и т. п. Одновременно они получили дополнительные возможности скрываться от врагов. Таких пасекомых А. В. Мартынов назвал новокрылыми. Преимущества насекомых, складывающих крылья, в эволюции оказались настолько значительными, что они практически вытеснили древнекрылых насекомых, из которых в настоящее время сохранились лишь стрекозы и поденки.

Подавляющее большинство летающих насекомых четверокрылы. Двумя крыльями обладают лишь мухи и комары (отсюда название отряда, к которому они относятся,- двукрылые), а также веерокрылые и небольшое число представителей других отрядов, например некоторые поденки. При этом у одних насекомых развились только передние крылья, у других - задние. Интересно отметить, что задние крылья двукрылых превратились в специализированные органы чувств, так называемые жужжальца, играющие важную роль в стабилизации полета и в осуществлении некоторых маневров. У веерокрылых в жужжальца превратились передние крылья.

Однако и у четверокрылых насекомых степень развития передних и задних крыльев далеко не одинакова. Исключение составляют стрекозы, развившие в одинаковой степени обе пары своих крыльев и соответственно мышцы, приводящие их в движение. Этих насекомых Б. Н. Шванвич отнес к двумоторным. Он различал также переднемоторых насекомых, у которых передняя пара крыльев с ее мышечным аппаратом обнаруживает тенденцию к преобладанию над задней (полужесткокрылые, чешуекрылые, перепончатокрылые, многие поденки и др.), и заднемоторных (жесткокрылые, прямокрылые, таракановые и др.), у которых наблюдаются обратные отношения (К переднемоторным насекомым Б. Н. Шванвич относил также двукрылых, а к заднемоторным - веерокрылых, т. е. насекомых, у которых соответствующая пара крыльев подверглась полной редукции. Такие насекомые в этой книге выделены особо)). У заднемоторных насекомых передние крылья обычно более плотные, чем задние, и нередко по совместительству выполняют покровную функцию. У жуков передние крылья целиком превратились в защитные надкрылья (отсюда другое название этого отряда насекомых - жесткокрылые).

Как же взаимодействуют передние и задние крылья в полете? У некоторых, обычно плохо летающих насекомых (исключение - стрекозы!) эти крылья работают независимо друг от друга. Однако у большинства видов обе пары крыльев составляют как бы единое целое, объединяясь функционально за счет нервно-мышечной координации или даже структурно с помощью особых приспособлений - своеобразных крючков (у перепончатокрылых, многих полужесткокрылых) или зацепок другого типа (у некоторых чешуекрылых).

Таким образом, в эволюции полета насекомых наблюдается четко выраженная тенденция: переход тем или иным способом от четверокрылости к двукрылости. Не напоминает ли нам это положение, существовавшее в прошлом и в авиации, когда человек методом «проб и ошибок» пришел к заключению о летных преимуществах монопланов перед бипланами и более многокрылыми конструкциями?

Крыловые мышцы

Как говорилось выше, крыло насекомого лежит на особом выросте плейрита - плейральном столбике, который служит точкой опоры при его движениях. Плейральный столбик располагается почти у основания крыла, и крыло, таким образом, представляет собой двуплечный рычаг с неодинаковой длиной плеч.

Казалось бы, для того, чтобы поднять или опустить крыло, достаточно потянуть его с помощью мышц за короткое плечо вниз или вверх. Однако основные мышцы, обеспечивающие крыловые удары, у подавляющего большинства видов насекомых ничего подобного с крылом не делают, поскольку к нему даже не прикрепляются!

Так, мышцы, опускающие крыло, располагаются между фрагмами тергита. Это так называемые спинные про-» дольные мышцы, развитые у насекомых разных отрядов в разной степени и у хорошо летающих насекомых занимающие почти все пространство грудной полости. Мышцы, поднимающие крыло, располагаются между тергитом и стернитом. Это - дорсовентральные мышцы. И спинные продольные, и дорсовентральные мышцы называются мышцами непрямого действия на крыло, или непрямыми крыловыми мышцами. Чтобы понять, каким образом эти мышцы приводят крыло в движение, не будучи с ним связанными, вспомним об эластических свойствах скелета груди насекомого и посмотрим на рис. 5, где представлены поперечные и продольные срезы груди.

Когда сокращаются дорсовентральные мышцы, тергит, к которому они прикрепляются, слегка опускается, его края тянут вниз основания крыльев, что приводит к подъему крыловой пластинки (рис. 5, а, б). При сокращении спинных продольных мышц наблюдаются обратные отношения: фрагмы сближаются между собой, тергит несколько выгибается (рис. 5, в, г), в результате чего крыло движется вниз. Хотя указанные смещения тергита малы, они благодаря длинному плечу рычага крыла преобразуются во вполне достаточные по амплитуде движения крыловой пластинки.

Помимо крыловых мышц, не связанных с основанием крыла, у насекомых имеются также мышцы, прикрепляющиеся к крылу. Это - мышцы прямого действия на крыло, или прямые крыловые мышцы (рис. 5, д, е). Среди мышц прямого действия следует особо выделить базалярные и субалярные мышцы, которые могут служить как для опускания крыла, так и обеспечивать необходимые для полета вращательные движения (супинацию и пронацию) (Супинация - поворот, при котором передний край крыла обращен вперед и вверх, пронация - вперед и вниз) - скручивания крыла. У некоторых насекомых (чешуекрылых, полужесткокрылых, жесткокрылых) мышцы прямого действия могут также изменять амплитуду крыловых ударов.

Имеются еще у насекомых и так называемые вспомогательные мышцы, влияние которых на полет заключается в контроле эластической отдачи грудного отдела, а также в изменении относительного положения подвижных частей крылоносного сегмента. Наконец, в летательный механизм многих насекомых могут включаться во время полета и некоторые мышцы ног.

Таковы в основных чертах структурно-функциональные отношения, существующие в крыловом аппарате почти всех летающих насекомых. Почти - потому, что крыловой «мотор» стрекоз несколько выпадает из этой общей картины. Дело в том, что спинные продольные мышцы у стрекоз не развиты и основную функцию «одускателей» крыла выполняют мощные мышцы прямого действия на крыло. Подъем же крыла у стрекоз, как и у остальных насекомых, обеспечивают непрямые дорсовентральные мышцы. Любопытно, что такая «нетипичная» конструкция крылового аппарата стрекоз не помешала этим насекомым достичь высокого летного совершенства.

Типы полета

Полет насекомых может рассматриваться с разных точек зрения. Отсюда и различные его классификации. Некоторые исследователи выделяют два основных типа полета: тривиальный (обыденный, или повседневный) полет, связанный с поисками пищи и размножением (Обыденный полет проходит вблизи мест обитания (гнездования) насекомого), и полет во время миграций, связанный главным образом с поисками новых мест обитания. Однако провести четкую границу между обоими типами полета удается далеко не всегда. Но для нас дело даже не в этом. Ведь нас интересует больше всего характер работы крылового аппарата насекомого во время полета, а этот аспект деление полета на обыденный и миграционный как раз и не отражает. Поэтому мы будем придерживаться другой - функциональной классификации.

С функциональной точки зрения полет насекомых может быть активным и пассивным. Активный полет осуществляется за счет энергии мышечных сокращений, пассивный - основан на использовании энергии внешней среды, а также массы тела насекомого (потенциальной энергии, накопленной животным). Рассмотрим сначала основные типы пассивного полета. Их три: парашютирующий, планирующий и парящий.

Парашютирующий полет заключается в том, что насекомое, например поденка, во время роения, набрав нужную высоту, располагает свои крылья определенным образом и, тормозя ими как парашютом, медленно опускается под действием собственной массы. Строго говоря, это даже не полет, а простое замедленное падение, причем в торможении такого падения насекомому могут помогать и другие части тела (у поденок - длинные хвостовые нити). Через некоторое время насекомое снова набирает высоту, потом опять парашютирует и т. д.

Уже на примере парашютирующего полета видно, что активные и пассивные фазы могут чередоваться. Это можно наблюдать и при некоторых других типах полета.

Планирующий полет тоже осуществляется под действием собственной массы насекомого. Им пользуются насекомые, имеющие достаточные по площади крылья,- бабочки, стрекозы. Бабочки, например, разгоняются и затем, прекратив движения крыльями, летят некоторое время по инерции - планируют (Разновидностью планирующего полета может считаться пикирующий полет, свойственный, правда, в большей степени птицам, чем насекомым. Разница между этими двумя типами полета заключается в величине угла, под которым насекомое приближается к земной поверхности. При пикировании этот угол значительно больше, чем при планировании). Здесь также чередуются активные и пассивные фазы полета. Иначе ведут себя многие стрекозы. Они, подобно настоящим планерам, способны не только планировать, медленно теряя высоту, но и подниматься вверх в восходящих токах воздуха. Впрочем, это уже другой тип полета - парящий, и его реализация невозможна без энергии внешней среды.

Существенно отличается от только что описанного парящего полета стрекоз пассивный полет за счет горизонтальных и вертикальных токов воздуха многих мелких насекомых: тлей, мелких двукрылых, бабочек и др. Эти насекомые способны и к активному полету, но полет их настолько маломощен, что при ветре (и даже токах воздуха) они просто дрейфуют и часто на очень большие расстояния - в сотни километров. Теплыми восходящими токами воздуха они «возносятся» на большую высоту и затем летят под воздействием дующих здесь довольно сильных и постоянных ветров. Это один из способов расселения «маломощных» насекомых на значительных территориях. Любопытно, что за счет воздушных течений могут расселяться в некоторых случаях и бескрылые насекомые, а также личинки насекомых, если они обладают малой массой и достаточной парусностью.

Как бы то ни было, в воздухе на высоте 1-2 тыс. м всегда встречается довольно плотный «слой» мелких насекомых, образующих своеобразный воздушный планктон. Этот дрейфующий планктон служит превосходной пищей для птиц.

Переходя к рассмотрению активного способа передвижения насекомых, следует подчеркнуть, что при очень сильном ветре даже насекомые, обладающие мощным активным полетом, превращаются в игрушку стихии и летят совершенно пассивно. Однако нас такие экстремальные случаи интересовать не будут.

Активный полет насекомых осуществляется всегда в форме машущего полета. Для полета этого типа характерны непрерывные движения крыльев (крыловые удары), перемещающие насекомое вперед. Впрочем, стоячий (трепещущий) полет, о котором упоминалось во введении, также является разновидностью машущего полета. Стоячий полет - высший тип летного искусства, и им обладают сравнительно немногие насекомые: некоторые двухкрылые (не только мухи-сирфиды!), пчелы, бабочки. Этим же насекомым, как и подавляющему большинству их собратьев, свойствен, конечно, и поступательный машущий полет. Поэтому в дальнейшем, рассматривая активный полет насекомых, мы будем подразумевать, если это не оговаривается особо, именно этот тип полета.

Однако даже при одном типе полета - машущем - многие важные параметры работы крылового аппарата могут существенно различаться не только у насекомых разных видов, но и у одного и того же насекомого в разные моменты его полета - при взлете, посадке, осуществлении различных маневров. К таким параметрам относятся: частота и амплитуда крыловых ударов, угол наклона плоскости ударов и др. С некоторыми из этих важных характеристик работы летательного аппарата насекомых мы познакомимся в этой и последующих главах.

Скорость полета и частота крыловых ударов

Скорость полета насекомого может быть измерена в двух аспектах: относительно земли (грунта) и относительно воздуха (ветра). Понятно, что при отсутствии ветра обе эти скорости совпадают. Однако в реальной ситуации безветрие встречается сравнительно редко, и скорости полета насекомого относительно ветра и земли могут существенно различаться между собой. Так, например, если насекомое летит со скоростью 10 м/с навстречу ветру, дующему со скоростью 5 м/с, то его скорость относительно ветра будет составлять 15 м/с, а относительно земли лишь 5 м/с. При полете насекомого по ветру скорость животного относительно земли окажется равной 15 м/с, а относительно ветра лишь 10 м/с.

Рассмотрим сначала возможные скорости перемещения насекомых относительно земли в безветрие. Эти скорости тоже различны и могут варьировать у разных видов этих животных от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров в секунду. К сожалению, данные о скорости полета насекомых и о частоте крыловых ударов значительно различаются у разных авторов. И дело здесь не столько в том, что насекомые могут в определенных пределах варьировать эти параметры, сколько в методической сложности их определения.

Нет нужды доказывать читателю, например, что определение скорости полета насекомых с помощью различных вертушек (каруселей), в которых животные закрепляются и летят по кругу, или нитей, прикрепляемых к насекомым и раскручивающихся вслед за ними во время движения, не может быть достаточно точным, какие бы поправки в расчеты при этом ни вводились. С другой стороны, очень трудно измерять скорость полета и частоту крыловых ударов у большинства насекомых в природных условиях. Не касаясь ухищрений, к которым приходится прибегать в этих случаях, приведем сведения, являющиеся, по-видимому, наиболее надежными (табл. 1).

Таковы скорости полета насекомых относительно земли в отсутствие ветра. Понятно, что ветер может вносить существенные коррективы в этот показатель. Однако некоторые насекомые даже несмотря на встречный (но, конечно, не слишком сильный) ветер могут сохранять скорость своего перемещения относительно земли постоянной. Так способен поступать, например, небольшой кровососущий комар Aedes.

В безветрие комарик летит со средней скоростью 47 см/с. При усилении ветра до 33 см/с он увеличивает скорость полета относительно ветра до 49 см/с. В результате, как легко подсчитать, его скорость относительно земли уменьшится лишь до 16 см/с (49 см/с - 33 см/с - 16 см/с), т. е. практически останется постоянной.

Конечно, резервы комара не беспредельны, и при дальнейшем усилении ветра это крошечное создание начинает сдавать. Однако даже при скорости встречного ветра 150 см/с (а это для комара не так уж мало) он все же способен продвигаться вперед.

Способность игнорировать ветер очень наглядно проявляется у насекомых, способных к стоячему полету. При увеличении скорости ветра до определенного предела эти насекомые могут по-прежнему «зависать» над выбранной точкой поверхности земли практически не смещаясь. Таким образом, скорость полета относительно земли они поддерживают постоянной и равной нулю. Понятно, что за счет все более энергичной работы крылового аппарата они должны все время повышать скорость своего полета относительно ветра. Иначе им не компенсировать его усиления.

Игнорирование ветра у насекомых может иметь и более прозаический характер, и при усилении ветра некоторые насекомые просто стараются не взлетать. Так делают, например, многие мухи, и в частности синяя мясная муха. Интересно, что при скоростях менее 0,7 м/с ветер оказывает даже стимулирующее действие на мух и число взлетающих особей увеличивается. При дальнейшем увеличении скорости ветра число взлетающих особей уменьшается в несколько раз.

Однако если ветер не очень сильный, насекомые летают и летают нередко весьма быстро. За счет чего же эти животные достигают таких высоких скоростей? Главным образом за счет большой частоты работы летательного аппарата (табл. 2).

Как видно из таблицы, это особенно справедливо для мелких форм, имеющих соответственно и маленькие крылья (см. нижние строки правого столбца таблицы). Напротив, более крупные насекомые, например многие бабочки и стрекозы, площадь крыльев которых достаточно велика (Площадь крыльев у стрекоз и бабочек может составлять несколько тысяч квадратных миллиметров, у мух - несколько десяти ков, у комаров - лишь несколько квадратных миллиметров), способны достигать в полете высоких скоростей и при значительно меньшей частоте крыловых биений. Однако даже самые крупные насекомые - миниатюрные создания по сравнению с другими летающими животными (за исключением, пожалуй, лишь птицы колибри). Поэтому, учитывая размеры тела насекомых, следует считать эффективность работы их летательного аппарата исключительно высокой.

Дальность полета и некоторые другие его характеристики

Максимально возможная дальность беспосадочных перелетов насекомых в точности не известна. За ними трудно следить, кроме того, практически все насекомые никогда не стремятся ставить в этом отношении рекорды, и в обыденной жизни без отдыха преодолевают сравнительно небольшие расстояния. Ясно одно: без посадки разные насекомые могут преодолевать различные расстояния.

Комнатная муха, например, как уже говорилось во введении, в своей обычной жизни - спринтер: в условиях комнаты она пролетает всего несколько метров и потом норовит опуститься. Если муху все время лишать возможности совершать посадку, то она сможет пролететь несколько сот метров. Сколько бы она пролетела сама, если бы захотела продемонстрировать в этом отношении свое мастерство, мы не знаем (Не исключено, что комнатные мухи способны к миграционному полету).

Но вот данные, приводимые В. Н. Беклемишевым о другом двукрылом - малярийном комаре, показывают, что это насекомое легко преодолевает без посадки около 3 км. Примерно в этих же пределах, по наблюдениям пчеловодов, совершают свои полеты за нектаром и пчелы. Но если учесть, что обратно в улей пчела летит с нагрузкой, то становится очевидным, что у этого насекомого имеется возможность налегке совершать и более значительные перелеты.

Установлено, что многие стрекозы и бабочки (например, бражники) способны без отдыха преодолевать многие сотни километров. Во всяком случае, стрекоз видели в Карибском море на расстоянии около 550 км от ближайшей суши. О рекордах дальности беспосадочных перелетов саранчи читатель сможет узнать в главе 4.

Такие огромные расстояния насекомые оказываются способными преодолевать за счет ничтожного расхода «горючего» в полете. Любопытные расчеты, демонстрирующие энергетические преимущества полета перед другим локомоторным актом насекомого - ходьбой, приводят немецкие исследователи Е. Шольце, X. Пичлер и X. Херан. По данным этих авторов, полет пчелы на 78 м по затратам энергии эквивалентен всего лишь 3 м ходьбы. Иными словами, полет этого насекомого оказывается экономичнее в 26 раз!

Аэродинамика полета и кинематика крыльев

Понятно, что высокая эффективность и экономичность работы летательного аппарата насекомых не могла бы осуществляться без совершенной аэродинамики этих животных. Поэтому мы должны сейчас, хотя бы в самых общих чертах, коснуться и этого вопроса. Для знакомства с некоторыми аэродинамическими показателями рассмотрим сначала наиболее простой случай и предположим, что насекомое не машет крыльями, а, набрав определенную скорость, летит по инерции с распростертыми крыльями на одной и той же высоте.

Каждое крыло насекомого при этом не располагается строго горизонтально, а как бы несколько разворачивается в направлении движения (рис. 6). Угол наклона крыла (или, точнее, хорды крыла, поскольку крыло не обязательно имеет плоскую форму) к направлению набегающего на него потока воздуха носит название угла атаки (а). Совокупность аэродинамических сил, действующих на движущееся в воздухе крыло, их результирующая (R), называется полной аэродинамической силой, или полным аэродинамическим сопротивлением. По известному правилу параллелограмма сил ее можно разложить на две составляющие: подъемную силу (Y), направленную вверх и стремящуюся поднять крыло, и силу лобового сопротивления (Q), перпендикулярную ей и тормозящую движение.

Подъемная сила (Y) создается за счет разностей скоростей потока около верхней и нижней поверхностей крыла (сверху скорость больше). При этом, согласно уравнению Бернулли, крыло сверху будет испытывать меньшее давление, чем снизу, в результате чего и создается сила, направленная вверх. Если Y будет меньше массы насекомого (G) - животное начнет снижаться, терять высоту. Если сила тяги (T) окажется меньше лобового сопротивления (Q) - произойдет торможение полета и т. д. Таким образом, чтобы насекомое могло лететь горизонтально, необходимо соблюдение следующих условий: масса тела насекомого (G) должна уравновешиваться подъемной силой (Y), а лобовое сопротивление (Q) - силой тяги (T). Варьируя угол атаки крыла, можно менять соотношение между Y и Q.

Все, о чем мы до сих пор говорили, в принципе справедливо для любого стационарно расположенного в потоке воздуха крыла, в том числе и для крыла самолета. Естественно, что в авиации всегда стремятся увеличить полезную подъемную силу и уменьшить вредное лобовое сопротивление. Для уменьшения Q есть два пути: создание максимально гладкого крыла («зализывание» его поверхности) и предельно допустимое уменьшение угла атаки (существуют критические углы, иначе самолет может сорваться в штопор).

Тут сразу выявляются существенные различия между крылом насекомого и крылом самолета. Игнорируем пока тот существенный факт, что крылья насекомых работают в полете всегда при больших углах атаки: здесь ситуация другая - машущий полет! Но вот что поразительно для любой ситуации: крыло насекомого как бы нарочно создано «антиаэродинамическим»! Вспомним его строение: оно покрыто различными волосками, чешуйками, гребешками и другими образованиями. Многие из этих образований являются органами чувств. Это, так сказать, «зло» неизбежное, поскольку крыло насекомого - живое образование и без датчиков обходиться не может. Но ведь на поверхности крыла имеется и масса структур, не несущих рецепторной функции. Для какой же цели они существуют?

Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, нам придется познакомиться с одпой из важнейших летных характеристик - числом Рейнольдса. Это безразмерная величина, выражающаяся дробью, в числителе которой находится произведение скорости движения жидкости относительно тела на некоторую длину, а в знаменателе - кинематическая вязкость жидкости. В нашем случае это будет произведение размаха крыла на скорость его перемещения, деленное на кинематическую вязкость воздуха (она равна 0,14 см2/с).

Было подсчитано, что если число Рейнольдса у исследуемого объекта меньше 2200, то около его поверхности создается ламинарное течение, при котором отдельные струйки идут параллельно, не перемешиваясь. Если число Рейнольдса больше 2200, возникает турбулентное - вихревое (с перемешиванием слоев) - течение. Чем выше значения чисел Рейнольдса, тем интенсивнее завихрения вблизи крыла, тем больше возникает затруднений движению вперед.

Крылья современных самолетов работают при значениях чисел Рейнольдса 106 и выше, а крылья насекомых, так как они меньше по размерам и движутся относительно воздуха медленнее,- при малых числах Рейнольдса. Для пустынной саранчи, например, это число составляет 2000, а у дрозофилы и тото меньше - 200. Казалось бы, чего лучше: никаких завихрений, но при ламинарных течениях, которые образуются при малых числах Рейнольдса, в пограничном слое крыла существует опасность так называемых ламинарных отрывов.

Интересные опыты были проведены с крыльями дрозофилы, которые обдували в аэродинамической трубе. Оказалось, что при углах атаки от 20 до 50° подъемная сила крыла этого насекомого оставалась практически постоянной. Однако замена крыла его моделью с тем же числом Рейнольдса, выполненной из магнитной ленты, приводила к отрыву потока при угле атаки всего в 25°.

Остается заключить, что все эти особенности поведения крыла насекомого как-то связаны со структурными образованиями, имеющимися на его поверхности. По мнению ряда исследователей (С. Фогель, Н. В. Кокшайский), волоски и щетинки могут являться своеобразными турбулизаторами, создающими микровихри. Они, таким образом, могут контролировать течение воздуха в пограничном слое крыла и способствовать бессрывному его обтеканию. Не исключено также, что у некоторых насекомых, например у поденок, отрыву пограничного слоя в полете препятствует и гофрировка крыла (Складки крыла, образующиеся при его гофрировке, являются своеобразными каналами, по которым отводится часть обтекающего крыло воздуха, чем уменьшается толщина пограничного слоя (остальную его часть удержать легче)), характер которой может к тому же меняться в разные моменты удара, как установил это А. К. Бродский.

Однако ни щетинки и волоски, ни гофрировка не могут исправить еще одного существенного аэродинамического недостатка крыла насекомого с малой величиной числа Рейнольдса. Если число Рейнольдса меньше 100 - начинает возрастать коэффициент лобового сопротивления. Как же мелкие виды могут увеличить область чисел Рейнольдса, в которой работают крылья?

Понятно, что они не в состоянии увеличить величину своего крыла и кинематическую вязкость воздуха. Остается единственный путь: повысить, сколь возможно, скорость движения крыла относительно воздуха. Именно так и поступают мелкие насекомые, максимально увеличивающие ритм крыловых биений (см. табл. 2). При этом увеличивается и скорость перемещения самого насекомого и, таким образом, сразу решаются две задачи.

Заговорив о крыловых ударах насекомых, мы подошли к наиболее принципиальному различию, которое существует между крыльями самолета и крыльями насекомого,- способам создания положительных аэродинамических сил во время полета. Когда летит самолет, его крылья, расположенные неподвижно, создают подъемную силу, а вперед его влечет пропеллер. У насекомых нет пропеллера, и крыльям этих животных приходится выполнять две функции: удерживать тело насекомого в воздухе (создавать подъемную силу) и двигать насекомое вперед (создавать силу тяги). В рассмотренном на с. 37 случае насекомое просто летело за счет накопленной ранее скорости. Каким же образом оно создает силу тяги?

Предположим, что крыло, изображенное на рис. 6, начнет двигаться вниз. Выберем какой-нибудь момент в этом движении (рис. 7) и рассмотрим, какие силы действуют на крыло теперь. Полную аэродинамическую силу R опять разложим по правилу параллелограмма на составляющие: подъемную силу крыла, обозначив ее Y1, и его лобовое сопротивление - Q1. Обратим внимание на то, что движение крыла и движение всей системы - летящего насекомого - на протяжении почти всего удара здесь уже не совпадают по направлению. Поэтому, если мы захотим узнать, какие силы действуют не на крыло как таковое, а на все насекомое как летящий объект (а именно это для нас и важно), мы вынуждены будем разложить результирующую R иначе. Составляющие теперь будут действовать следующим образом: одна - не по движению крыла, а в направлении движения системы (насекомого), другая - не по нормали к крылу, а по вертикали. Так мы получим подъемную силу Y и силу тяги Т: Y по-прежнему будет уравновешиваться массой насекомого (G),T- лобовым сопротивлением всей системы (Q).

Такой анализ помог бы нам понять, что происходит при машущем полете насекомых, если бы крылья этих животных двигались подобно веслам (о других трудностях мы поговорим ниже). Однако исследования последних лет показали, что сравнение движений крыла насекомого во время его работы с движениями весла весьма мало напоминает реальную ситуацию, а название машущего полета «гребной», как это было принято еще сравнительно недавно в учебниках энтомологии, неправильно. И если уж с чем-то сравнивать, то скорее можно провести аналогию с работой пропеллера самолета. Да и в этом случае общего не так уж много.

Рассмотрим в самых общих чертах движения крыла насекомого относительно его корпуса. Возьмем некое «усредненное» и для простоты двукрылое насекомое, поскольку ясно, что движения крыльев у разных видов могут существенно различаться между собой. Представим себе, что крыло насекомого находится в верхней точке взмаха и под действием мышц-депрессоров начинает опускаться вниз. Своей поверхностью оно «давит» на воздух, создавая основную подъемную силу и небольшую силу тяги (передний край крыла при движении вниз расположен несколько ниже заднего). Если бы крыло загребало воздух аналогично веслу, то именно здесь создавалась бы максимальная сила движения, чего, как показывают наблюдения, на самом деле нет.

Чтобы обеспечить необходимое поступательное движение, насекомое делает иначе: приводя в действие прямые (плейральные) мышцы, оно выносит свое крыло вблизи нижней точки удара косо вперед и поворачивает его вдоль продольной оси, как бы ставя на ребро передним краем кверху. Затем в результате комбинированного действия дорсовентральных и плейральных мышц крыло отводится вверх и назад - к позиции, с которой мы начали наш анализ.

За счет описанного «пропеллерообразного» движения крыла и создается основная сила тяги. Все фазы цикла осуществляются чрезвычайно стремительно и могут занимать у насекомых некоторых отрядов лишь тысячные доли секунды. В результате быстрой работы крылового аппарата подъемный и пропеллирующий эффекты как бы сливаются в единый аэродинамический эффект, поддерживающий тело насекомого в воздухе и движущий его вперед. Но такова лишь самая общая схема. А теперь, чтобы убедиться, насколько все сложнее в действительности, рассмотрим два примера, иллюстрирующих характер движения крыльев реальных насекомых - поденки и мухи-формии (кинематика крыльев саранчи дается в главе 5). Начнем с более примитивно летающего насекомого - поденки.

В начале этой главы говорилось, что поденка во время брачного полета в рое поднимается на определенную высоту, а затем медленно парашютирует. Но это же насекомое способно и к обычному для других видов горизонтальному полету. О таком полете и пойдет речь.

Посмотрите на рис. 8, где приводятся в двух проекциях - спереди и сбоку - основные моменты движения крыловой пластинки поденки. Согласно исследованиям А. К. Бродского, движение крыла вниз этого насекомого начинается с пронации, которая уменьшается в середине удара и резко увеличивается в его конце (У всех других изученных насекомых пронация к концу удара вниз постепенно сменяется супинацией, необходимой для последующего взмаха). Угол атаки крыла в процессе пронации меняется весьма значительно: па пути от середины до нижней точки удара он становится больше на 15°. В результате основная подъемная сила у поденки создается в середине удара вниз, а сила тяги - в конце удара. Иными словами, при движении крыла вниз создаваемые им аэродинамические силы положительны. Поскольку в нижней точке удара пронация крыла поденки, как мы видели, максимальная, движение крыла вверх насекомое вынуждено начинать с резкой его супинации. При этом поверхность крыла располагается почти перпендикулярно направлению полета поденки. По мере дальнейшего движения вверх супинация крыла постепенно уменьшается. Аэродинамический эффект на основном участке пути крыла вверх нейтрален или даже отрицателен. Это не относится, однако, к самому началу подъема крыла, когда, как и в его нижнем положении, создается сила тяги.

Все сказанное позволяет заключить, что траектория движения крыла поденки должна выглядеть достаточно сложной. Вот, например, какую фигуру описывает вершина крыла относительно тела этого насекомого, если смотреть на крыло сбоку (рис. 9, I) и спереди (рис. 9, II).

Еще более сложна кинематика крыла другого насекомого - мухи-формии. На рис. 10 приведена траектория движения ее крыла относительно тела и воздуха. Кстати, анализируя характер движения крыла формии, В. Нахтигаль показал, что частично подъемная сила у насекомого может создаваться даже при движении крыла вверх в начале взмаха. Вот, например, как этот автор раскладывает уже известные нам силы, действующие на крыло в различные фазы крылового цикла (рис. 11). Изображение мухи с поднятыми крыльями символизирует начало крылового удара, с опущенными - его окончание. Представлены четыре последовательные стадии цикла, причем результирующая сила изображена штриховой линией, снабженной двойными стрелками.

Из приводимых В. Нахтигалем схем можно, по-видимому, заключить, что на I стадии движения крыла вниз угол атаки и лобовое сопротивление оказываются сравнительно небольшими, поэтому подъемная сила должна создаваться хорошая и равнодействующая обеих сил будет направлена более или менее вертикально. На II стадии крыло начинает разворачиваться, угол атаки становится равным почти 90°, лобовое сопротивление резко возрастает, а подъемная сила уменьшается (она может, впрочем, оставаться еще значительной, если крыло формии ведет себя при больших углах атаки аналогично крылу дрозофилы). Равнодействующая здесь все же направлена вверх. Интересно, что возрастающее в эту стадию цикла лобовое сопротивление может быть и полезным - способствовать торможению крыла и остановке его в нижней точке удара. На III стадии крыло уже поднимается, и воздушный поток набегает на другую его поверхность - дорсальную. Равнодействующая направлена на этой стадии вперед. Наконец, на IV стадии поток снова набегает на вентральную поверхность крыла, а равнодействующая теперь идет назад и вниз (при этом она может помогать торможению крыла в конце его движения вверх).

Таким образом, не исключено, что аэродинамические силы, возникающие во время крыловых движений, оказываются важными не только для поддержания тела насекомого в воздухе и перемещения его вперед, но и для торможения крыла в верхней и нижней точках крылового удара. Существенную роль во время крыловых ударов могут играть, как мы увидим ниже, и эластические компоненты груди насекомого.

Однако как бы впечатляюще ни выглядели схемы разложения сил, действующих на крыло насекомого в разные стадии цикла, нужно иметь в виду, что в данном случае для анализа используется аппарат классической аэродинамики. А классическая аэродинамика имеет дело со стационарными моделями, Но можно ли машущий полет насекомых отнести или хотя бы свести к разряду стационарных?

В самом деле, скорость движения крыла насекомого даже во время установившегося полета в разные стадии цикла не является постоянной: она уменьшается до нуля в верхней и нижней точках удара, причем направление движения крыла в этих точках меняется на противоположное. Удар вверх, по крайней мере, у некоторых насекомых, осуществляется быстрее, чем удар вниз. Результирующая скорость движения крыла при машущем полете складывается из поступательной и колебательной, а само движение крыла на протяжении большей части крылового цикла не совпадает даже по направлению с движением всей системы (летящего насекомого). Далее, при машущем полете в разные фазы крылового цикла меняется (и весьма существенно!) угол атаки, а соответственно и аэродинамические силы, действующие на крыло. Более того, даже в одну и ту же фазу углы атаки разных сечений крыла оказываются различными. Весьма своеобразны (и далеко не изучены!) явления, протекающие в пограничном слое машущего крыла. Совершенно различны вихревые дорожки, образующиеся за неподвижным и машущим крылом…

Таким образом, когда мы берем не неподвижное, а движущееся по сложной траектории крыло, которое к тому же еще меняет профиль в разные фазы цикла, мы приходим к заключению, что многие константы для стационарного крыла здесь вдруг становятся переменными (углы атаки, установочные углы и др.). С другой стороны, при машущем полете появляются новые величины и зависимости, которые необходимо изучать и учитывать: частота ударов и их амплитуда, ускорение, которое приобретает крыло в разные фазы цикла, и т. д.

К сожалению, теории машущего полета насекомых еще нет, и вряд ли из-за многочисленных трудностей такая теория в ближайшие годы будет создана. Поэтому многие исследователи, изучающие полет насекомых, пытаются хотя бы приблизительно все же свести нестационарные полетные ситуации к последовательности стационарных ситуаций. Так поступал, например, известный специалист по аэродинамике полета саранчи и некоторых других насекомых Т. Вейс-Фо. Интересно, что некоторые аэродинамические показатели, вычисленные по правилам классической аэродинамики (например средняя подъемная сила и средняя сила тяги), у ряда насекомых прекрасно совпадают со значениями этих величин, полученными в прямом опыте на насекомых, прикрепленных к аэродинамическим весам и «летящих» в ветровом потоке. Чем объясняются эти противоречащие всем нашим, казалось бы, убедительным рассуждениям совпадения, мы пока не знаем.

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.

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

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...

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.