Физика в мире животных: стрекозы и их полет
Стрекоз можно назвать прирожденными летунами. В воздухе эти насекомые проводят очень много времени, причем большинство видов без труда показывают примеры техники высшего пилотажа. К примеру, стрекоза может зависать в воздухе, лететь очень быстро или очень медленно, неожиданно менять направление своего полета в любом направлении. У стрекоз четыре крыла, которые действуют независимо друг от друга. Можно было бы думать, что движения переднего и заднего крыльев синхронизированы таким образом, что оба крыла составляют как бы единое целое, одну плоскость. Но это вовсе не так.
Сразу стоит сказать, что принцип полета стрекозы не уникален, его используют многие насекомые, как двукрылые, так и четырехкрылые. В основе всего — возникновение тяги в том случае, если махи крыльями вниз совершатся быстрее, чем махи вверх. По сравнению с полетным аппаратом большинства насекомых, эта система у стрекоз значительно усложнена. Для чего? Дело в том, что это усложнение позволяет стрекозам выполнять в воздухе приемы, которые большинству других насекомых недоступны. Кроме того, стрекозы могут разгоняться до очень большой скорости в 40 километров в час.
При ближайшем рассмотрении размещения крыльев стрекозы можно видеть, что расстояние между сочленениями передних и задних крыльев гораздо меньше, чем ширина этих крыльев. И даже, если они разведены довольно широко, все равно, при встречных движениях такие крылья должны зацепляться друг за друга. На самом деле, стрекоза не испытывает никаких неудобств в полете. Они старается (хотя «старается» — немного не то слово) совмещать контуры передних и задних крыльев. При полете вперед крылья стрекоз расходятся, а при схождении хлопают друг по другу.
Причем в этом случае плоскости верхних и нижних крыльев вовсе не параллельны. Задние кромки крыльев при движении несколько отстают в своем движении от передних. Так что при взмахах верхние и нижние крылья формируют схлопывающийся клин, вследствие чего назад выбрасывается струя воздуха, создавая реактивную силу, толкающую стрекозу вперед. Специалисты говорят, что компоновка крыльев стрекозы оптимальна для полета.
В результате в большинстве случаев стрекозы летают быстрее, чем их жертвы. Кроме того, эти насекомые могут выполнять практически любые маневры, очень быстро поворачивая в стороны, пикируя вниз или поднимаясь вверх. Мало какие насекомые способны избежать столь быстрого охотника.
Интересно, что раньше ученые считали, что использование столь сложного летательного аппарата требует от стрекоз больших физических затрат. Ученые из Ульмского университета в Германии и Королевского ветеринарного колледжа в Лондоне не так давно решили проверить это утверждение. Для того, чтобы это сделать, специалисты разработали роботизированную стрекозу. Ее поместили в минеральное масло, через которое пропускали газ. Вверх поднимались пузырьки, которые моделировали движения воздуха вокруг крыльев в полете. Механическую стрекозу оснастили датчиками, при помощи которых ученые измеряли ту силу, которая требуется для поднятия или опускания крыла.
Так вот, авторы исследования получили данные, которые ясно показывают: стрекозы используют специальный алгоритм полета, который позволяет увеличить эффективность работы крыльев этих насекомых на 22% по сравнению с летающими насекомыми, у которых два крыла. Дело в том, то при прохождении определенной части пути заднее крыло стрекозы улавливает поток воздуха от движения крыла, которое находится спереди и определенным образом отталкивается от него. Важным моментом является еще и то, что крылья стрекоз изгибаются от оснований к верхушкам. Это позволяет отбрасывать воздух без особых проблем подобно тому, как отбрасывают его крылья птиц. Результаты изучения полета стрекоз этой группой исследователей были опубликованы в издании Journal of the Royal Society Interface.
Что касается боковых маневров, то стрекозы делают это благодаря разбалансу крыльев. Для того, чтобы получить возможность быстро сместиться влево, стрекозе необходимо увеличить амплитуду махов у правой пары крыльев. Опрокидывание стрекозы становится маловероятным, если учесть умение этих насекомых работать с положением брюшка. При полете налево, чтобы не произошло смещение, стрекоза изгибает брюшко вправо. Кстати, для того, чтобы повернуть вправо, стрекозе нужно начать немного схлопывать левую пару крыльев. В результате этого маневра крылья отбросят определенное количество воздуха назад и насекомое повернется вправо.
Кстати, ранее считалось, что утолщения на передней кромке крыла стрекозы предназначены для нивелирования так называемого флаттера. Этот термин обозначает колебания жестких крыльев. Сейчас некоторые ученые полагают, что эти утолщения работают в качестве амортизаторов, облегчающих разведение верхних и нижних крыльев. Если бы не этот фактор, то верхние и нижние крылья могли бы схлопнуться и стрекоза не смогла бы больше нормально летать.
Интересно, что при наборе скорости стрекоза буквально таранит своих жертв. Сила удара при этом очень высокая. Но стрекоза не страдает от столкновений благодаря своему прочному и эластичному хитиновому покрову. А вот жертвам стрекоз везет меньше, они теряют способность двигаться или даже умирают от подобных столкновений.
В целом, стрекозы — идеальная машина для полета и охоты. Организм насекомого состоит из нескольких уникальных элементов, каждый из которых сложен, но эффективен.
