Полёт шмеля

Старый миф о шмеле отображает наше невежество

“Леди и джентльмены, пожалуйста, займите свои места, и пристегните ремни безопасности. Мы взлетаем,” – приятным голосом объявляет стюардесса через систему внутренней связи. Двигатель самолёта начинает гудеть. Вы чувствуете лёгкий толчок, и самолёт начинает ехать по взлётно-посадочной полосе. Вы взволнованно хватаетесь за своё сиденье в нервном предвкушении небывалого ощущения, которое вы собираетесь испытать. Несясь по взлётной полосе, самолёт быстро набирает скорость. Когда самолёт отрывается от земли, ваш желудок тяжелеет, и вы испытываете неприятные ощущения. Земля становится всё меньше и меньше, и вы плывёте над ней в белом море облаков.

Вам знакомо всё это? Вероятно, всё вышесказанное напоминает вам о вашем первом пребывании на борту самолёта, разве что эти воспоминания омрачены вашей склонностью к морской болезни или "ужасной" боязнью полетов. Вы когда-нибудь задумывались, благодаря чему самолёт может летать? Физики и инженеры разбираются в этом очень хорошо. Они изучали сложную конструкцию аэродинамической поверхности и крыла. Округлая передняя кромка крыла и крутая задняя кромка, движимые тягой двигателя мощностью более 63300 фунтов, обеспечивают эффективную подъемную силу для самолёта.

А теперь представьте, что самолёт лишен какого-либо двигателя, с помощью которого он может заводиться и лететь. Как бы в таком случае самолёт мог бы летать? Самолёт,  у которого отсутствуют двигатели, сам по себе летать не может. Всё это подводит нас к теме нашей статьи, а именно к рассказу о шмеле. Теоретически, как говорят учёные, шмель не может летать и должен оставаться  на земле, так же как и гигантский авиалайнер без двигателя. Принимая во внимание тот факт, что основное уравнение, которое лежит в основе аэродинамики полёта, должно быть одинаковым как для летающих насекомых, так и для самолётов, просто невозможно объяснить, как шмелям удаётся летать. Крылья шмеля создают больше подъёмной силы, чем предсказывают учёные с помощью традиционного аэродинамического анализа. Возвратно-поступательное движение крыльев делает аэродинамику полёта насекомых невероятно неустойчивой и сложной для анализа.

Шмели – это мохнатые и шумные пчелы, размером от ½ до 1 дюйма. Крылья шмеля очень маленькие по отношению к телу. Самолёт, построенный с соблюдением таких же пропорций, как у шмеля, никогда бы не оторвался от земли. Но шмели не похожи на самолёты. Они скорее похожи на вертолёты с гибкими лопастями. Подвижная аэродинамическая поверхность генерирует больше подъемной силы, чем жесткое и зафиксированное крыло. Однако страус, который может создать подвижную аэродинамическую поверхность, так никогда и не оторвётся от земли. Таким образом, учёные находились в очень затруднительном положении относительно того, каким же образом шмели поднимаются в воздух.

Физики-теоретики использовали по отношению шмелей теории, применимые для полёта Боинга 747, и определили, что они не должны летать. Однако это вовсе не “доказывает” того, что шмели не могут летать; это просто означает, что физики используют неверное уравнение. Иварс Петерсон попытался защитить учёных, утверждая:

 “Проблема на самом деле заключается не в том, что учёные не правы, а в том, что существует значительное различие между предметом и математической моделью этого предмета”.

Это на вид неопределенное утверждение является следствием следующей веской причины: “Определенная математическая модель не может описать механизм полёта шмеля и совершенно не подходит для данной цели” (1997). В полёте шмеля и в самом деле нет ничего простого.

Вообще, полёт насекомых уже долгие годы является загадкой для учёных. Французский энтомолог Ентони Магнан писал в своей книге об этой проблеме ещё в 1934 году. В ней он ссылается на подсчеты, сделанные  инженером Андре Сейнт-Лаг. Его выводы основывались на следующем: “максимально возможная подъёмная сила, генерируемая крыльями летательного аппарата таких же маленьких размеров, как и крылья шмеля, и с таким же медленным движением, как движение пчелы во время полёта, была бы намного меньше массы самой пчелы” (Дикинсон, 2001).

Начиная с 1934 года, инженеры начали применять теорию аэродинамики для конструирования таких самолётов, как Боинг 747 и разведывательные истребители. Эти самолёты имеют достаточно сложное строение, и, несмотря на это, их функционирование основано на стационарных принципах. Шмели нарушают этот принцип, потому что они вращают и машут своими крыльями со скоростью от 300 до 400 взмахов в секунду — это почти в десять раз больше, чем скорость генерирования сигналов нервной системой! Шмель достигает такой высокой скорости махания крыльями просто посредством сокращения и расслабления мышц своего брюшного отдела. Более того, изменения узоров, которые рисуются в воздухе крылом шмеля при взмахе, являются причиной возникновения совершенно отличающихся аэродинамических сил, которые приводят в замешательство всяческие математические теории. Крылья шмеля не качаются подобно двери на обычных петлях. Наоборот, верхняя часть каждого крыла описывает тонкий овал под большим углом. Также, крылья “переворачиваются” во время каждого взмаха: верхняя часть крыла направлена вверх во время взмаха вниз, и поворачивается вниз во время движения вверх.

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. Исследователи Майкл Дикинсон и Джеймс Беч, из Калифорнийского университета в Беркли, получили противоположные данные. В научном журнале Nature они поделились результатами своих исследований относительно дополнительного аэродинамического подъёмной силы, которая образуется у шмелей. Они построили весьма масштабную модель мухи дрозофилы, и наблюдали за её полётом в резервуаре, заполненном минеральным маслом. С помощью крошечной модели дрозофилы они воспроизвели полёт этой мухи в воздухе — более редкой среде. Профессор Дикинсон утверждает: “Основываясь на проведённых экспериментах, мы сделали вывод, что предположение Еллингтона не может объяснить явление присоединения вихря, которое происходит во время взмаха крыла” (Макфи, 2001).

Тем не менее, 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. Движения крыльев шмеля слишком сложны, чтобы можно было сформулировать уравнение, которое бы точно описывало аэродинамику полёта шмеля.

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. Эти данные основывались на теории Еллингтона, которые ранее Дикинсон пытался опровергнуть. 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» (цитата из работы Сегелкена 2000, слова в скобках присутствуют и в оригинальной статье).

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. Дикинсон продемонстрировал идею вращательного механизма движения с помощью теннисного мячика. Теннисный мячик, который ударили обратным вращательным движением, тянет воздух быстрее на своей верхней поверхности, что заставляет мячик подниматься, тогда как верхнее вращение тянет воздух быстрее снизу, что заставляет мячик опускаться. Дикинсон сделал вывод, что взмахи крыльев шмеля создают значительную подъемную силу с помощью вращательного движения.

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. Таким образом, захват спутного потока помогает шмелю повторно использовать энергию.

Учёные до сих пор не знают всех тайн и сложностей, связанных с полётом шмеля и других насекомых. Но они очень надеются, что смогут больше изучить сложные крылья шмеля для применения полученных знаний в создании новых самолётов. Инженеры могут создавать большие самолёты, лишь воспроизводя те образцы, которые были созданы Великим Архитектором — Богом, устроившим всё (Евреям 3:4). Бог вложил так много явного и точного в проектирование крошечного крыла шмеля — и это лишь маленькая часть удивительной Вселенной, которую Он создал.

Ссылки и примечания

1. Дикинсон, Майкл (2001), “Объяснение загадки полета насекомых”, [On-line], URL: http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000EE5B1-DCA8-1C6F-84A9809EC588EF21.
2. Мэкфи, Кона (2001) “Жужжание шмелей”, [On-line], URL: http://pass.maths.org.uk/issue17/news/bumble.
3. Петерсон, Иварс (1997), “Полёт шмеля”, [On-line], URL: http://www.maa.org/mathland/mathland_3_31.html.
4. Сегелкен, Роджер (2000), “Шмели, наконец, дали разрешение на взлёт”, [On-line], URL: http://www.news.cornell.edu/releases/March00/APS_Wang.hrs.html.

Источник-www.apologeticspress.org