Тайны полёта шмеля

Специалист, изучающий механику животных, Чарли Еллингтон из Кембриджского Университета в Англии, казалось, разгадал тайну полёта насекомых. Он обнаружил, что вихревой поток, перемещающийся вдоль передней кромки крыла насекомого, производил дополнительный подъём.

Сделанные Еллингтоном выводы подтолкнули учёных к поиску уравнения для “нестационарного функционирования”, которое могло бы объяснить механизм ранее обсуждаемых взмахов крыльев. Распределение скоростей и давлений внутри жидкости происходит согласно известных уравнений Навье-Стокса, которые были сформулированы в начале девятнадцатого столетия. Данные, полученные Еллингтоном, показали, что полёт шмеля нельзя объяснить только лишь с помощью уравнений Навье-Стокса.

Пытаясь разгадать тайны полёта насекомых, учёные сконструировали модели крыльев шмеля в увеличенном масштабе. Применение этих моделей дало плодотворные результаты, соединив при этом две основные силы в жидкости — силу давления, производимую инерцией жидкости, поперечную силу, вызванную вязкостью жидкости. Профессор Дикинсон сообщил о новых данных, которые он получил в 2001 году. В своем исследовании, опубликованном в Scientific American (“Объяснение загадки полета насекомых”), Дикинсон утверждает, что в полёте шмеля участвуют три основных механизма: замедленный срыв воздушного потока, захват спутной струи и вращательное круговое движение.

Замедленный срыв воздушного потока происходит тогда, когда крыло самолёта рассекает воздух под слишком крутым углом. Вихри, образованные самолётами, обычно оставляют позади сильную турбулентность в спутной струе винта самолёта. Однако чтобы оставаться в полёте, насекомым просто необходимы эти вихри. Вихрь – это вращающийся поток вещества, похожий на стекающую воду в умывальнике. Когда движение крыла происходит под небольшим углом, воздух разбивается на передней части крыла и плавно переходит в два потока, которые протекают вдоль верхней и нижней поверхностей крыла. Верхний поток движется быстрее, в результате чего давление над крылом более низкое. Именно это и тянет крыло вверх, производя подъемную силу. Первый этап замедления изначально увеличивает подъемную силу вследствие возникновения короткого потока, который называется вихрем передней кромки крыла. Этот вид вихря образовывается непосредственно над и за передней кромкой крыла. Поток воздуха в вихре движется невероятно быстро, и полученное таким образом низкое давление существенно увеличивает подъемную силу.

Данные Дикинсона, похоже, согласуются с экспериментальными данными, которые были получены физиком Джейн Венг из университета Корнелла. Он писал:

«Старый миф о шмеле отображает наше недостаточное понимание динамики неустойчивой вязкой среды. В отличие от созданных самолётов с неподвижным крылом, с устойчивой динамикой, почти невязкой (лишенной вязкости) жидкости, насекомые летают в море вихрей. Кроме того, эти вихри окружены маленькими вихрями и воздушными потоками, которые создаются в результате взмахов крыльями»

Кроме замедленного срыва воздушного потока Дикинсон обнаружил, что крылья шмеля создают временные мощные силы, которые появляются в начале и в конце каждого взмаха, и эти силы нельзя было объяснить с помощью торможения. Эти силы достигают максимума во время обратного взмаха, когда движение крыла замедляется, и крыло шмеля начинает быстро вращается. Это означает, что вращение может играть важную роль в механизме полёта шмеля.

И, наконец, Дикинсон обнаружил, что улавливание спутной струи, т. е. столкновение крыла с вихревой спутной струёй, оставленной предыдущим ударом крыла, также участвует в полёте насекомых. Каждый взмах крыла оставляет за собой множество вихрей. Когда крыло шмеля изменяет направление, оно возвращается через этот перемешивающийся воздух с вихрями. В спутной струе содержится энергия, которая была отдана воздуху насекомыми, так что захват спутной струи является для насекомых способом восстановления энергии.