Как летает шмель
Как летает шмель
Почему шмель летает вопреки законам физики? Чем и как это объясняется?
С детства любой, кто интересовался миром насекомых, слышал о том, что полёт шмеля противоречит всем законом физики, а точнее аэродинамики. Это утверждение столь плотно засело в наших умах, что сейчас уже с трудом можно разобраться, почему это происходит. Неужели может существовать животное, основная часть жизнедеятельности которого противоречит базовым законам физики? Данная статья предназначена для тех, кто хочет узнать, является этот факт правдой, или же это просто вымысел, в который с уверенностью верят люди.
Шмель не может летать по законам аэродинамики?
Для начала углубимся в теорию и посмотрим, действительно ли наука противоречит умению пчёл этого вида передвигаться в воздушном пространстве.
Особенности полёта насекомых учёные когда-то исследовали с особой тщательностью, ведь именно на их основе строились предположения о возможности полёта человека в воздухе с помощью какого-либо средства, что в итоге привело к созданию парапланов, а в дальнейшем и самолётов.
С помощью аэродинамического анализа проверялись полёты множества крылатых членистоногих. Однако, когда дело дошло до героя нашей статьи, учёные оказались в тупике. Все используемые ими ранее расчёты не подходили.
Как летает шмель?
Столкнувшись с данным феноменом, исследователи продолжили учение этого удивительного насекомого, так как сделанный ими вывод казался совершенно абсурдным.
Тогда начали проводиться различные эксперименты по наблюдению за существами, которые так легко перечеркнули все законы физики. С помощью современной техники их полёт был заснят на сверхточную камеру, а потом замедлен в десятки раз. Таким образом удалось чётко разглядеть весь процесс движения крыльев насекомого.
Однако наиболее важным открытием стал тот факт, что у крыльев бомбуса есть два типа движения:
Именно этот, второй тип движения и стал причиной, по которой это существо двигается над землёй.
Полёт шмеля с точки зрения физики
Что же особенного в этих мелких колебательных вибрациях? На этот вопрос дали ответ ученые-физики, а именно Чжэн Джейн Ван, которая и доказала, что полёт шмеля, также известного как бомбус, не является чем-то, выходящим за рамки научных знаний.
В соответствии с результатами исследований, высокочастотные вибрации, совершаемые крыльями данного представителя фауны во время движения, образуют завихрения в воздухе, обладающие переменной плотностью. Именно разная плотность воздуха и вызывает подъёмную силу, которая удерживает массивное тело шмеля.
!!—Таким образом, нестандартные движения крыльев существа затрудняли определение особенностей его передвижения в воздухе, однако выяснилось, что в отличие от самолета, когда воздух обтекает корпус, шмель своим телом опирается на завихрения, создаваемые крыльями. Тем самым он компенсирует их внешнюю слабость по отношению к своей массивности.
Правда или миф?
Итак, как же стоит воспринимать распространённое мнение о том, что этот представитель фауны не должен летать? Каков окончательный вердикт?
Итак, выражение о том, что передвижения этого существа в воздухе невозможны из-за того, что они идут в разрез с общепринятыми постулатами естественных наук, является ложным. Однако оно прочно засело в умах обывателей из-за давней ошибки учёных.
Почему произошла ошибка?
Как же могло получиться так, что ложная теория распространилась по всей планете и надолго засела в умах обывателей? Как учёные могли предположить, что такое обыкновенное существо может жить вопреки законам природы?
Как оказалось, дело было в недостаточно глубоком подходе к исследованию и правилам аэродинамики. Учёные совершили несколько ошибок во время своих исследований, которые и привели к зарождению мифа:
Так, недостаточное количество информации привело к рождению ложной теории. Однако не стоит думать, что люди науки были просто глупы.
Подводя итог, стоит отметить, что далеко не всем распространённым фактам стоит верить, так как довольно часто они оказываются всего лишь обычными заблуждениями, вызванными ошибкой или недопониманием. В конце концов, несмотря на все предположения учёных, шмели летали даже тогда, когда исследователи считали, что они не могут этого делать. И продолжают это делать сейчас.
Видео: макросъемка взлета насекомых
В этом видео биолог Олег Мазаев покажет, как происходит взлет насекомых (в том числе и шмелей), съемка с высокой частотой кадров:
Как летает шмель: силы природы и законы аэродинамики
Одной из самых распространённых разновидностей пчёл является шмель. Мохнатое и шумное насекомое имеет маленькие крылья в сравнении с пропорциями тела. Согласно законам аэродинамики, полёт насекомого с такими параметрами просто невозможен. Длительное время учёные проводили исследования, чтобы понять каким образом это возможно.
Строение крыльев шмеля в сравнении с самолётом
Существует целая наука – бионика, наука что объединяет технику и биологию. Она изучает различные организмы и то, что люди могут извлечь из них для себя.
Люди часто берут что-то из природы и тщательно изучают. Но шмель долгое время ученым не давал покоя, а точнее его способность летать.
Физиками установлено, что самолёт летает благодаря сложной конструкции крыла и аэродинамической поверхности. Эффективная подъёмная сила осуществляется с помощью округлой передней кромки крыла и крутой задней кромки. Мощность тяги двигателя составляет 63300 фунтов.
Аэродинамика полёта самолёта и шмеля должна быть одинаковой. Учёными доказано, что согласно законам физики, шмели не должны летать. Однако это не так.
Крупный шмель и его крылья.
Крылышки шмелей способны создать большую подъёмную силу, чем рассчитывают учёные. Если бы у самолёта были пропорции шмеля, то он не оторвался бы от земли. Насекомое можно сравнить с вертолётом, имеющим гибкие лопасти.
Проверив в отношении шмелей теорию, применимую к Боингу 747 физики установили, что размах крыльев составляет от 300 до 400 взмахов за 1 секунду. Это возможно благодаря сокращению и расслаблению мышц брюшного отдела.
Нарисованные узоры крыльев при взмахах — причина различных аэродинамических сил. Они противоречат любой математической теории. Крылышки не способны качаться как дверь на обычной петле. Верхняя часть создаёт тоненький овал. Крылья могут переворачиваться при каждом взмахе, направляя верхнюю часть вверх при взмахе вниз.
Частота взмаха больших шмелей не менее 200 раз в секунду. Максимальная скорость полёта достигает 5 метров в секунду, что равно 18 км в час.
Разгадка тайны полёта шмелей
Для разгадки тайны физикам пришлось сконструировать модели крылышек шмелей в увеличенном варианте. В результате этого учёным Дикинсоном были установлены основные механизмы полёта насекомого. Они состоят из замедленного срыва воздушного потока, захвата струи спутной, вращательного кругового движения.
Крыло рассекает воздух, что приводит к замедленному срыву воздушного потока. Чтобы оставаться в полёте, шмелю необходим вихрь. Вихри — вращающиеся потоки вещества, схожие со стекающей водой в раковине.
При движении крыла, имеющего небольшой угол, воздух рассекается в передней части крыла. Затем происходит плавный переход в 2 потока, находящихся вдоль нижней и верхней поверхности крыла. Скорость верхнего потока больше. Это производит подъёмную силу.
Благодаря первому этапу замедления увеличивается подъёмная сила. Этому способствует короткий поток — вихрь передней кромки крыла. Вследствие этого образуется низкое давление, что приводит к увеличению подъёмной силы.
Таким образом, установлено, что шмель летает в огромном количестве вихрей. Каждый из них окружают воздушные потоки и маленькие вихри, созданные взмахами крыльев. Кроме этого крылышки образуют временную мощную силу, которая появляется в конце и в начале каждого взмаха.
Заключение
В природе есть множество загадок. Способность к полётам у шмелей — феномен, исследованный многими учёными. Это можно назвать чудом природы. Маленькие крылышки создают такие мощные вихри и импульсы, что насекомые летают с большой скоростью.
Наука в мире животных: как и почему летают пчелы и шмели
В 2007 году появился фильм «Bee Movie», посвященный насекомым. Фильм неплох, но в нем прозвучало мнение, что пчелы, согласно принципам авиации, не должны летать, но летают. Это мнение быстро распространилось, и его принялись повторять на все лады журналисты, популяризаторы науки и обычные люди. Справедливости ради стоит заметить, что заблуждение о невозможности полета пчел и шмелей существовало задолго до фильма — где-то с начала XX века.
Проблема в том, что пчелы, шмели и другие летающие насекомые — вовсе не самолеты. Конечно, если рассчитывать подъемную силу крыльев пчелы при помощи математического аппарата авиастроения, то вывод будет, как и в фильме — пчелы и шмели не должны летать. Их небольшие крылышки просто не разовьют подъемную силу, достаточную для того, чтобы насекомое поднялось в воздух. На самом деле все гораздо сложнее и интереснее одновременно.
Взмахи крылышками и динамическое сваливание
У обычных самолетов крылья имеют достаточно жесткую конструкцию, они закреплены на корпусе самолета и составляют с ним единое целое. У них есть определенная степень гибкости, но с точки зрения аэродинамики существенного эффекта она не оказывает. Именно благодаря неподвижности крылья самолета обеспечивают значительную подъемную силу, которой достаточно для того, чтобы аппарат тяжелее воздуха оторвался от поверхности и летел.
У крыльев самолета — специфический аэродинамический профиль. Если увеличить угол наклона крыла по отношению к воздушному потоку, крыло создаст бОльшую подъемную силу. Но если угол будет слишком большим, то подъемная сила исчезнет, этот эффект называется сваливанием. Исчезни подъемная сила — и самолеты попадают.
У пчел, как и многих других насекомых, нет неподвижных крыльев, как у самолета. Для того, чтобы лететь, им нужно активно махать крыльями — это позволяет как бы оттолкнуться от воздуха и создать подъемную силу. Крылья в процессе взмаха совершают невероятно сложную траекторию движения. Крыло выполняет сложные движения на всем пути от начальной точки до конечной. Машущее крыло создает подъемную силу благодаря целому ряду физических явлений.
Первое из них — образование сильного завихрения на передней кромке крыла. Это явление называется динамическим сваливанием или же отсутствием сваливания (dynamic stall, absence of stall). Крыло находится под очень большим углом атаки при движении вверх и вниз. Угол атаки — угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у крыла самолёта это будет хорда крыла, у самолёта — продольная строительная ось, у снаряда или ракеты — их ось симметрии.
В итоге воздушный поток разделяется с образованием завихрения у передней кромки крыла. В процессе полета завихрение остается на том же месте благодаря особенностям потока. Создается большая подъемная сила — благодаря разнице давлений. Если бы завихрение не возникало, то и подъемной силы бы не было.
Второе — эффекты благодаря вращению крыльев насекомого. При вращении крыла увеличивается завихрение на передней кромке, соответственно, растет и подъемная сила. Изменяя точку вращения крыла, можно менять и подъемную силу при каждом взмахе.
Диаграмма, показывающая разницу в аэродинамических характеристиках крыльев в режимах опережающего, симметричного и замедленного вращения. Черные линии представляют крыло, а точка показывает переднюю кромку. Красные стрелки показывают величину и направление сил. Эти данные были собраны с помощью модели машущего крыла робота. (Дикинсон, Lehmann & Sane, 1999)
А что там у других летающих насекомых?
Сложные механизмы полета наблюдаются не только у пчел, но и у других насекомых и птиц. У многих видов есть собственная техника увеличения подъемной силы с одновременной оптимизацией затрат энергии на выполнение взмаха. Ширококрылые бабочки в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полета цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха, 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 и 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.
У многих насекомых при взмахе вверх возникает кратковременный импульс силы за счет расширения ранее образовавшегося кольца с ускорением воздуха назад. Важнейшую роль играют и особые движения крыльев, включая хлопок в верхней или нижней точке взмаха.
Шмели используют примерно тот же механизм полета, что и пчелы. И они тоже летают без всяких проблем. Проблема с объяснением механизма полета этих насекомых возникла именно из-за сложной траектории крыльев. Пчела совершает около 230 взмахов крыла в секунду, шмель — 300, в некоторых случаях — 400. Благодаря скорости, а также тому, что аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко зафиксированное крыло, насекомые и летают.
Ну а проблема с «невозможностью полета пчелы» возникли из-за неверной трактовки законов аэродинамики в применении к движущимся крыльям, причем без учета ряда принципов механики вязкой среды и газовой динамики.
Почему полет шмеля не подчиняется законам физики
«Черный бархатный шмель, золотое оплечье,
Заунывно гудящий певучей струной.
Ты зачем залетаешь в жилье человечье,
И как будто тоскуешь со мной?»
Приходит упоительное лето, расцветают ароматные цветочки, и все вокруг наполняется пением птиц и жужжанием насекомых. Порхают бабочки, стрекозки, трудятся над цветочные клумбами неутомимые пчелы и шмели. Шмель – уникальное создание природы. Неповоротливый, толстенький трудяга неустанно опыляет цветочки и приглашает посетить шмелиный сказочный мир, полный тайн и загадок.
Знакомство со шмелем
Шмель (земляная пчела или Bombus) относится к перепончатокрылым из семейства пчелиных. Они обитают везде (даже в прохладной Гренландии, снежной Аляске и суровой Чукотке), но вот Австралию толстые мохнатые насекомые не любят – их завезли туда недавно. В зоологическом мире 250 видов земляных пчел.
Шмель большое насекомое, его тельце с густыми черными волосками, достигает длины в 3,5-4 сантиметра. Бомбусы – существа миролюбивые и доброжелательные. Они умеют жалить, но, в отличие от пчел, кусаются неповоротливые создания редко и гораздо слабее.
Как живет шмель. Шмели могут быть одиночками и создавать семьи. Виды насекомых, обитающих в условиях севера (где короткое одномесячное лето), обитают в гордом одиночестве. А в благодатных, теплых районах земляные пчелы успевают за летний сезон создать семью (проживет шмелиная семья ровно одно лето).
В зонах тропика некоторые виды шмелей создают многолетние семьи с огромным количеством домочадцев (до 500 особей). Бомбусы подразделяются на три группы:
У мохнатых насекомых существуют зимние подземные норы – там проживает матка. По весне шмели выстраивают гнезда. Шмелиные жилища похожи на пчелиные. Личинки шмелей (в отличие от иных представителей мира насекомых), вылупляются и обитают в одной капсуле. В остальных отсеках гнезда шмели оборудуют медовые склады.
Там же они хранят и перги (пчелиный «хлеб»), оно спасает мохнатых, черно-золотых созданий от периода непогоды. У шмелиной семьи есть иерархия и четкое распределение обязанностей. Кто-то строит гнездо, другие собирают пыльцу.
Матка за жизнь откладывает 300-400 яиц для вывода рабочих существ. Ее последний выводок состоит из новых маток, которые и остаются зимовать, чтобы по весне дать жизнь новому потомству. Старая матка умирает.
Гнездо шмеля (или бомбидарий) – овальные, неправильной формы ячейки, созданные из буроватого либо красного воска. Жилища шмели обустраивают в дуплах, между каменистыми зазорами, на земле рядом с моховыми растениями, ветками. Земляные пчелы могут занять птичьи гнезда, норы кротов или мышей.
Они не следят за состоянием гнездовья и не пользуются одной сотой дважды для выведения потомства. Новые соты строятся на старых, полуразрушенных, поэтому шмелиные гнезда выглядят неряшливо.
Шмели умеют вентилировать жилище. Они зависают у входа в гнездо и активно трепещут крылышками, прогоняя в жилье потоки свежего воздуха.
А в холода насекомые превращаются в обогреватели. Они дружно сокращают мышцы, находясь на одном месте, издавая знакомый гудящий звук. Совместное гудение обогревает воздух в гнезде и поднимает его до комфортного для насекомых режима в +30-35⁰ С.
Чем питаются. Любимая пища земляных пчел – нектар. Они собирают его с распустившихся бутонов. У мохнатых насекомых есть одна удивительная способность – при интенсивной работе грудных мышц, насекомые поднимает у себя температуру тела до +40 ⁰ С.
Благодаря такой возможности, шмели принимаются за работу над цветами ранним утром, когда воздух еще не прогрелся. Из-за этого мохнатых насекомых называют «теплокровными». Такая способность разрешает бомбусам обитать в северных районах. В отличие от обычных, земляные пчелы не создают запасов меда – он им нужен лишь для спасения от голода при ненастной погоде.
Когда появились шмели. Когда бомбус впервые увидел мир – неизвестно, хотя найденные окаменелые остатки насекомых датируются в 25-40 млн. лет. Окаменелый шмель – редчайшая находка, попасть в смолу крупному насекомому и утонуть в ней сложно. Такие находки обнаруживали в Азии.
Польза шмеля. Земляная пчела – ценнейший опылитель. Благодаря длинному хоботку, это насекомое опыляет такие растения, с которыми не справляются обычные пчелы. Человечеством создана отрасль, посвященная выведению шмелей – шмелеводство. Мохнатых насекомых искусственно разводят для опыления растительных культур с целью увеличения урожайности.
Это любопытно
Шмели-паразиты. В природе проживают дальние родственники земляных пчел: шмели-кукушки. Это паразитические насекомые, социальные клептопаразиты, разучившиеся собирать и хранить пыльцу. Они ее воруют у своих собратьев, не забывая подкинуть в шмелиные гнезда своих личинок.
Как летает шмель. Крупные создания летают со скоростью в 18-20 км/час. В полете 90% энергии насекомого преобразуется в тепло. Летая, мохнатое существо имеет температуру тельца на 20-30⁰ выше окружающего пространства. У насекомых природа предусмотрела механизм охлаждения. Когда земляные пчелы в полете перегреваются, из специальных желез они выпускают на себя каплю прохладной жидкости.
Бомбусы, как и остальные насекомые, не могут летать спиной вперед. Это умеет делать лишь колибри. Из-за маленького размера птичку часто принимают за толстенького шмелика, поэтому существовало мнение, что шмель умеет летать таким неординарным способом.
Рекордсмены. Самый крупный бомбус обитает в центральных районах Америки. Длина его тела достигает 5 сантиметров. А самое маленькое шмелиное создание облюбовало ареал проживания в Центральной Европе, длина насекомого всего полтора сантиметра.
Загадочный миф. У людей существует распространенное мнение, что земляная пчела летает вопреки признанным законам аэродинамики. Это миф или летающее насекомое действительно «рушит» основы физики и обладает уникальной способностью? Или это представитель иной, развитой цивилизации, живущей по другим понятиям?
Почему шмель летать не должен?
Родилась такая легенда 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 бомбуса 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?
Разгадка тайны шмелиного полета
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?
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. 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!
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
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!
В начале XX века считалось, что шмель по законам физики не может летать. Что не так с этим утверждением?
«По законам физики шмель летать не должен, но он об этом не знает и всё равно летает», – такая шутка бытует на просторах Интернета. Откуда она берёт начало, и почему на самом деле у мохнатого насекомого с полётом нет никаких проблем, «Диалогу» рассказал сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ имени Ломоносова Олег Беляев.
фото: Илья Снопченко / ИА «Диалог»
Заблуждение о полёте шмеля, по словам Олега Беляева, появилось из-за крылышек насекомого: казалось, будто они слишком коротки для массивного тела и не способны удерживать его в воздухе. Одним из тех, кто обратил на это внимание, был энтомолог из Франции Антуан Маньян. Чтобы проверить такое умозаключение, учёный в 1934 году решил рассчитать характеристики пчелиного полёта (шмели также относятся к пчёлам, так как входят в семейство настоящих пчёл — ИА «Диалог»). В работе он ориентировался на наработки математика Андре Сент-Лагю.
Происходило это на раннем этапе развития авиастроения и аэродинамики – раздела физики, который рассматривает движение тел в воздушной среде. Полёт тогда изучали главным образом на моделях с неподвижными крыльями. А чтобы анализировать и моделировать более сложные формы – к примеру, полёт шмелей с машущими крыльями – в распоряжении у учёных не было ни высокоскоростных видеокамер, ни развитой микроробототехники.
Поэтому Андре Сент-Лагю использовал в своих вычислениях известные на тот момент принципы стационарной аэродинамики, которые применяли к неподвижным крыльям и не подходили для машущих. Расчёты исследователя показали, что у пчёл (а стало быть, и шмелей) – при их размерах тела – действительно создаётся недостаточная подъёмная сила для планирующего (как у самолёта) полёта.
фото: Илья Снопченко / ИА «Диалог»
Истина же оказалась в том, что законы физики не мешают шмелям летать. Просто принципы полёта насекомых и летательных аппаратов существенно различаются.
Так, самолёты держатся в воздухе за счёт разного давления над крыльями и под ними. Его создаёт несимметричная форма конструкции (снизу ровная, а сверху выпуклая) и угол, под которым она находится в полёте (угол атаки). Во время движения крыло разделяет воздушный поток на две части. При этом скорость верхнего увеличивается в несколько раз по сравнению с нижним: ведь за то же время по выпуклой стороне воздух должен пройти больший отрезок пути. Как итог: давление на самолёт сверху снижается, а вот снизу воздух давит на него гораздо сильнее, что и не даёт технике упасть.
«В отличие от летательных аппаратов, у шмелей и большинства других насекомых крылья представляют собой тонкие эластичные пластинки, встроенные в каркас из прочных и гибких жилок», – сообщает Олег Беляев. Их движение, отмечает энтомолог, циклично и состоит, как правило, из взмаха вверх, взмаха вниз и двух разворотов.
Во время полёта шмелиные крылья взаимодействуют с воздушными вихрями, которые сами же и создают. Это играет существенную роль в создании аэродинамических сил. При взмахе насекомое изменяет угол атаки крыльев так, чтобы удержать на их поверхности прикреплённый вихрь. Благодаря этому увеличивается разница давления воздушных потоков около крыльев и возрастает подъёмная сила шмеля. Во время разворота крыльев прикреплённый вихрь сбрасывается, что даёт насекомому дополнительный импульс.
фото: Илья Снопченко / ИА «Диалог»
По словам Олега Беляева, частота взмахов у грузных шмелей высока: достигает 200 и более раз в секунду. И хотя на первый взгляд эти пчёлы кажутся неторопливыми, в полёте они развивают приличную скорость.
«Стоит потревожить шмеля, как он вдруг делает вираж и стрелой уносится куда-то прочь. Вспомните, каким проворным был князь Гвидон, обращённый в шмеля: как слуги и стража тщетно пытались поймать юркое насекомое. Николай Римский-Корсаков посвятил этой сцене отдельную быструю интермедию «Полёт шмеля» в своей опере «Сказка о царе Салтане». Известно, что у шмелей фиксировали скорость полёта до 5 метров в секунду, или 18 километров в час», – заключает энтомолог.
Узнать больше о шмелях и других пчёлах можно в книге Тора Хэнсона «Жужжащие: Естественная история пчёл», которая недавно вышла на русском языке в переводе Олега Беляева.
Подготовила Вероника Бабкина / ИА «Диалог»
Шмель летать не должен?
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!
— Веллер, «Ножик Сережи Довлатова»
Вы лучше скажите мне честно! ОНИ ВСЕ ТАКИ КУСАЮТСЯ ИЛИ НЕТ?
Это жопа шмеля. Никакой политики. Никакого скулежа по ушедшему лету. Просто жопа шмеля.
ну выложите тот комикс, где пролетающей пчеле/шмелю лижут попку, и она/он летит дальше сконфуженный
почему-то от, казалось бы, безобидного уточнения «женщина-физик», почувствовал жжение в области стула. слава богу, что материал очень интересный и я быстро об этом забыл.
P.S. Ваш мужчина-комментатор
Нам преподаватель рассказывал, что при входе в какой-то французский авиасалон висит надпись «По законам аэродинамики шмель летать не может, но этого не знает, и поэтому летает».
И че к шмелю прицепились?
Насекомых разных великое множество, есть и более тяжелые летуны, и более странные.
А то так заявлено, что все прям вписываются в теорию, все классно, один шмель на антигравитации.
Кстати, эти чудные вихревые движения крыльев неясного генеза тоже не вызывают большого доверия, я так тоже лабы в универе подгонял.
Эксперимент бы какой замутили, что-ли.
лопасти у вертолета гибкие
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.
Что за сверхмощные компьютеры в середине 20-го века?
«шмель летать не может, но летает, нарушая законы физики»
просто надо верить в себя
Шмель летает, потому что верит в то, что он может летать =) Был бы красный, еще и носился бы в три раза быстрее)
Денег мало, длинный шмель, ты в кибитку не ходи.
Учёные и инженеры-авиаконструкторы немного разные люди.
Не знаю про физику, слышала, что не летает по расчётам из области теоретической механики.
может ли шмель летать быстрее скорости света?
как известно, с хорошим двигателем и забор полетит. построить лайнер по пропорциям шмеля, с маааленькими крылышками и большииим мотором, и всё прекрасно полетит.
А почему у шмеля жопа белая? Полтора года мучает этот вопрос.
Познавательный материал. Вообще природа неиссякаемый источник загадок для людей. Меня немного смутило упоминание моделирования полета и расчет на сверхмощном компьютере середины ХХ века. Мне кажется слово «сверхмощный» лишним в этом тексте.
Да ладно? Да не может такого быть!
Белая жопка? Всё норм, не укусит.
Весенний Шмель
Пару дней назад на кухню залетел шмель и спрятался. Сегодня его обнаружил, очень измотанным.
вода с сахаром. Пару минут он лизал, чуть передохнул и полетел.
дети тоже посмотрел и порадовались.
Для тех, кто никогда не видел как происходит процесс сбора нектара
Нижайше прошу прощения за качество фото, снято на разбитую камеру телефона 2 года назад.
Крошечный жук открыл новый способ полета
Полеты — непростое дело, но когда вы меньше миллиметра в длину, все становится еще сложнее. В таких крошечных масштабах меняется физика полета, поэтому насекомые выработали стратегию полета в миниатюре. Наблюдайте за невиданной ранее тактикой полета жука-перокрыла.
Дамбо
Фейерфическое зрелище
Тестирование дворников для крыльев планера
Система состоит из электромоторов Ülis Segelflugbedarf Jumbo-putzi и щёток BWS Flexi-Putzer.
Держится это дело только на набегающем потоке воздуха
Полет Ларри Уотерса(видеопруф)
Смотреть с 40 секунды. Баян, но похожие посты были без видео.
Краткая предыстория взята из этого коммента: #comment_194029000 ( @LuarZero )
В 1982 году Ларри Уолтерс, житель Лос-Анджелеса, решил осуществить давнюю мечту — полететь, но не на самолёте. Он изобрёл собственный способ путешествовать по воздуху. Уолтерс привязал к удобному креслу сорок пять метеорологических шаров, наполненных гелием, каждый из которых имел метр в диаметре. Он уселся в кресло, взяв запас бутербродов, пиво и дробовик. По сигналу его друзья отвязали верёвку, удерживавшую кресло. Ларри Уолтерс собирался плавно подняться всего на тридцать метров, однако кресло как из пушки взлетело на пять километров.
Когда Уолтерс оказался на земле, его немедленно арестовали. На вопрос полицейских: «Зачем вы это сделали?», — он ответил: «Ну нельзя же всё время сидеть без дела».
Почему муху трудно убить
Чтобы взлететь, домашней мухе достаточно один раз махнуть крыльями.
Очевидно, они вовремя замечают, что к ним приближается опасность. Замечают в прямом смысле – глазами. У зрения есть характеристика, которая называется временная разрешающая способность, то есть насколько быстрые события глаз и мозг способны различить. Временную разрешающую способность определяют по порогу слияния мерцания. Глаз видит быстро сменяющиеся картинки, которые сменяются всё быстрее и быстрее, и до какого-то момента мы видим их мерцание, а потом мерцание исчезает – скорость изображения превысила порог слияния. У нашего глаза этот порог равен 60 мельканиям в секунду, а у мух – 400. Наши Очень Быстрые Движения муха видит как в замедленной съёмке. И ей хватает 200 миллисекунд, чтобы выбрать наиболее безопасное направление для бегства.
Но мало видеть опасность, нужно ещё и быстро от неё уйти. Тут мухи тоже молодцы: как пишет портал LiveScience, в полёте им хватает одной тысячной секунды, чтобы сменить курс. Ну а если муха сидит на чём-то, и тут вдруг нужно быстро взлететь?
Исследователи из Кейсовского университета Западного резервного района снимали разных взлетающих мух на высокоскоростное видео с 3000 кадрами в секунду.
Мух на свете много, они делятся на секции, подсекции, надсемейства и т. д.
Оказалось, что мухи из подсекции Calyptratae, к которым относятся и привычные домашние мухи, взлетают в пять раз быстрее других – в среднем за семь миллисекунд и на одном взмахе крыльев. Другие мухи, не из группы Calyptratae, тратят на взлёт в среднем 39 миллисекунд, и чтобы оторваться от поверхности, им нужно около четырёх раз взмахнуть крыльями.
То есть у домашней мухи и её ближайших родственников есть какая-то конструктивная особенность, которая помогает быстро взлететь. Это так называемые жужжальца – видоизменённая пара крыльев. У многих насекомых крыльев две пары, но у мух, комаров, слепней и прочих представителей отряда Двукрылых задние крылья сильно уменьшились, превратившись в небольшие булавовидные палочки – те самые жужжальца. В полёте они служат стабилизаторами, помогая держать курс во время манёвров.
Как оказалось, домашним мухам и другим видам подсекции Calyptratae жужжальца помогают ещё и при взлёте. Если мухам удаляли жужжальца, то на взлёте они начинали кувыркаться, как будто не могли справиться с управлением самими собой, и часто падали на землю. Жужжальца обеспечивали им стремительный и лёгкий взлёт. Результаты экспериментов опубликованы в Proceedings of the Royal Society B.
Вряд ли эти сведения помогут нам в охоте на мух, но, возможно, их замечательные жужжальца подскажут какие-нибудь новые идеи инженерам, занимающимся конструированием летательных аппаратов.
Автор: Кирилл Стасевич
Виртуальные путешествия в MSFS 2020, 17й этап кругосветки
Это 17й из 29 перелетов. Я таки добрался до Америки и начинаю виртуальное путешествие по западному побережью, сопровождающееся, как обычно, моими занудными комментариями 🙂
Этот перелет осуществляется из Сиэтла в Сан-Франциско, по пути пересекаем штаты Вашингтон и Орегон.
Но перед тем как направиться на юг, я немножечко пожиганил над самим городом 🙂
Направляясь на юг, мы пролетаем как раз реку Колумбия, которая разделяет штаты Вашингтон и Орегон.
Перемешивается это все в довольно интересную картину, которую я пытался поймать, играясь с видом «от дрона» 🙂 Вроде что-то получилось, но это лучше посмотреть в самом видео.
Но, об этой области в следующем видео.
Виртуальные путешествия в MSFS 2020, 16й этап кругосветки
Нельзя сидеть без дела
masterok
Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
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.
Так 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!
Шмель летать не должен?
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.
Так 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!
Почему шмель не может летать по законам физики
Многие научные гипотезы, а затем и законы, были открыты при наблюдении за животными. Первые приспособления для парапланирования человека в воздухе были скопированы с крыльев птиц и насекомых. Ученые разбирали принцип полета того или иного живого существа и старались объяснить это с научной точки зрения. И лишь совсем недавно они смогли понять, почему шмель летает.
Внимание исследователей и людей науки привлекло маленькое насекомое, которое, вопреки всем известным на тот момент законам физики, летает. Его объемное тело, форма которого не отвечает аэродинамическим условиям, никак не стыковалось с маленькими невзрачными крылышками. Все в один голос утверждали, что шмель не может летать с такими физическими данными.
Ошибочная гипотеза
Математическими формулами и законами аэродинамики объясняли полеты многих насекомых:
Аэроанализу подвергали любое летающее живое существо и после некоторых вычислений становилось ясно, как оно летает. Когда очередь дошла до шмеля, который является ближайшим родственником пчелы, ученые зашли в тупик. Они пытались применить формулы, по которым рассчитывается подъемная сила, действующая на самолет.
Нет ничего удивительного в том, что эти формулы никак не подходили к полету насекомого. Площадь поверхности его крыльев была слишком мала, чтобы создать силу, способную поднять грузное тело. Никакой речи о планировании в потоке воздуха здесь не было. Вывод был однозначный и курьезный: шмель не может летать.
Все дело в крыльях
Наука и техника не стояли на месте и вскоре к вопросу о полете шмеля вернулись. Теперь к решению этой задачи подошли более тщательно, записав на видеокамеру, как летает шмель. С помощью современной аппаратуры удалось рассмотреть все движения крыльев насекомого в замедленном действии и начать строить новую гипотезу.
На видеозаписи специалисты разглядели принцип движения крыльев. Маленькие и невзрачные, они совершали очень необычные взмахи. Помимо возвратно-поступательных движений они одновременно совершали еле заметные колебательные вибрации, похожие больше на мелкую дрожь. Именно эти высокочастотные колебания стали причиной полета насекомого.
Во время наблюдений за движением крыльев мохнатого родственника пчелы было подсчитано, что он совершает ими 300-400 взмахов в секунду.
Благодаря этим микровибрациям крылышек вокруг их концов создаются завихрения воздуха с переменным значением плотности. Разница в плотности потоков воздуха и создает подъемную силу, действующую на насекомое. Такими завихрениями не обладают взмахи крыльев бабочки или пчелы, поэтому изначально к данному выводу не смогли прийти.
Доказательная база от ученого-физика
Впервые научно-обоснованное заключение по полету шмеля было представлено всеобщему обозрению в середине прошлого столетия. Женщина-физик Чжэн Джейн Ван, работающая в известном Корнеллском университете США, привела доказательную базу по образованию подъемной силы за счет завихрений.
Физик потратила немало времени на тщательные исследования по этому вопросу, и к ее гипотезе не было возражений. Еще она отметила, что основной ошибкой ученых, уверяющих, что по законам физики шмель не может летать, было отсутствие достаточных знаний в определенных разделах аэродинамики.
Применение формул, по которым рассчитывается полет авиалайнера со статичным состоянием крыльев, невозможно к расчету полета насекомого, которое активно машет крылышками в нескольких плоскостях. Такое движение в воздухе является ярким примером раздела нестационарной газово-вязкой динамики.
Итогом всех этих исследований стало окончательное заключение, что мохнатый родственник пчелы летать может. Интересней тот факт, что насекомое и без этих сложных и долгих умозаключений великих умов как летало, так и продолжает летать. Даже если впоследствии появится новая гипотеза аэродинамики шмеля, он все равно будет совершать свои ежедневные полеты, несмотря ни на что.
Все ли шмелиные тайны раскрыты?
Кто летом не видел трудягу-шмеля? При этом первое, что стремимся сделать — отпугнуть его от себя. Но стоит присмотреться к тому, как он летает и работает на цветах, чтобы задать себе несколько интересных вопросов. У шмеля много тайн. И не все они еще раскрыты. Попробую простыми словами изложить основную суть сложных понятий.
Одна из первых тайн, с которой столкнулись ученые: каким образом шмель создает подъемную силу в полете? Тайну эту удалось раскрыть только благодаря высокоскоростной киносъемке. В чем же состояла интрига?
А вот в чем. Длительное время наука при помощи традиционного аэродинамического анализа не могла полностью описать шмелиный полет. В финале расчетов всегда получалось, что это насекомое не имеет права летать. А шмель, не зная про расчеты, продолжал прекрасно летать! Парадокс? Вся особенность его в том, что шмель летает своим способом, который более всего близок к вертолетному и полностью противоречит самолетному. У ученых не хватало воображения. Лишь скоростная съемка позволила при покадровом замедленном просмотре увидеть, на первый взгляд, невероятное.
Вот в сжатой форме словесное описание полета шмеля из заключения ученых: «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». Даже мысленно, закрыв глаза, представить себе это сложно. Приблизительно это соответствовало бы тому, что лопасти у вертолета гибкие и при вращении изгибаются в разные стороны и с разными периодами во времени. Полный бред с технической точки зрения! Такого быть не может в мире авиационной техники. Но такое давным-давно природа дала шмелям.
Математически шмелиный полет до сих пор не удается описать в полном объеме. Даже у компьютера не хватает «воображения»! А ведь шмель сложнейшие «переворачивания» крыльев в полете производит без знания математики со скоростью от 300 до 400 взмахов в секунду! Сравнить можно лишь, пожалуй, с полетом колибри.
Шмели, как и пчелы, занимаются опылением растений, собирают нектар, производят мед. А для этого надо облететь множество цветов. И вот новая тайна, подмеченная учеными совсем недавно. Шмели на облет цветов всегда затрачивают минимум сил и времени, «просчитывая» свой маршрут намного быстрее компьютера! Вопрос: каким образом это делает шмель? Ответа пока нет. Предположительно, шмели «фотографируют» свои полеты и потом на такой «карте» видят наиболее короткий путь к каждому цветку. А из разряда фантастических предположений — шмели, мол, телепатически «обмениваются» информацией о наиболее коротких маршрутах.
Как бы там ни было, но факт остается фактом: компьютер на таких вычислениях «зависает», поскольку задача имеет сразу несколько сложных параметров. В частности, надо учитывать меняющуюся скорость ветра; обширность площади, с которой берется нектар; количество цветов, уже посещенных другими шмелями; влажность воздуха, влияющую на количество взмахов крыльями в секунду…
Еще одна удивительная тайна шмелей — они видят быстрее всех живых существ на нашей планете, включая и человека! В очень сложных экспериментах учеными зафиксировано с помощью приборов, что импульсы по нервам шмеля от глаз к крошечному мозгу идут в пять раз быстрее, чем у нас с вами. Каким образом природа дала этим мохнатым гудящим насекомым столь качественное зрение?
Не полностью еще раскрыта и загадка, что заставляет шмеля басовито гудеть? Вариантов с предположениями уже несколько. Самый вероятный, на первый взгляд, для малопосвященных в шмелиные тайны людей — гудение создается крыльями. Но у пчел тоже сложно работают в полете крылья, а столь громкого гудения они почему-то не создают.
Давно замечено, что шмели начинают трудиться ранним утром (еще задолго до восхода солнца). А это, как правило, самое холодное время суток. По этой причине логично, вроде бы, выглядит предположение на тот счет, что шмели гудят от холода, стараясь учащенным сокращением мышц согреться. Но это предположение не выдерживает критики, так как шмели — одни из самых холодостойких насекомых! Они встречаются, например, в Гренландии и на Аляске. Примечательно, что около 300 видов шмелей живут в Северной Евразии, в Северной Америке и в горах. Но только два вида обнаружены учеными в теплых краях. Так что гудеть от холода, чтобы согреться, шмелям нет никакой необходимости.
Тогда для чего они гудят? Еще одно предположение — чтобы «отпугнуть» от цветов конкурентов. Но и здесь есть противоречие. На лугах и полях с клевером у шмелей нет конкурентов. Но они гудят и там.
Скорость полета шмеля и его маленькие совершенные крылья
Шмелю всё равно, что там про него говорят.
Шмель летать не должен
— известный «научный» парадокс, на самом деле, давно уже переставший быть таковым, но всё ещё нередко воспроизводимый разными недалёкими личностями. Иногда вместо шмеля подставляется майский жук, но сути это не меняет.
Полностью этот боян звучит так: «По законам физики шмель летать не должен, но он об этом не знает и всё равно летает»
. От одной только такой постановки проблемы забьётся в конвульсиях не то что учёный, но и любой здравомыслящий человек, понимающий, что наука призвана вовсе не огораживать человечество от окружающего мира, а как раз таки рационально этот мир познавать. Но обо всём по порядку.
[править] Предыстория
Суть проблемы для самых маленьких: жирдяй с малюсенькими крылышками.
Рождение сабжа овеяно легендами и относится к началу ХХ века, когда один великомудрый учёный (имена называются разные, чуть ли не сам Людвиг Прандтль) решил произвести расчёт подъёмной силы крыльев шмеля. Почему именно шмеля? Шмель — насекомое с символизирующим латинским названием Bombus, имеет слишком маленькие крылья относительно размеров и массы собственного тела, но при этом всё равно умудряется летать, в связи с чем представляет для исследований особый интерес.
Поскольку дело было только на заре аэродинамики, учёный применил к шмелю формулы расчета подъёмной силы самолётов, в результате чего потерпел фейл и заключил, что шмель летать не должен и делает это фактически вопреки законам физики. Даже если это и правда, то проделал он всё это, вероятнее всего, исключительно для лулзов, потому как не мог не понимать, что аэроплан, в отличие от шмеля, крыльями не машет, механика полёта у него совсем другая и к шмелям она по определению не подходит. Изучение полёта насекомых, таким образом, ждало своего часа. Тем не менее, попирающий основы мироздания шмель, не дожидаясь, меметизировался и полетел пошёл в народ, где снискал широкую популярность и как аргумент в пользу бессилия науки, и как годный катализатор СПГС, и просто как прикол, которым не грех под стакан повеселить друзей и коллег по работе.
Все ли шмелиные тайны раскрыты?
Одна из первых тайн, с которой столкнулись ученые: каким образом шмель создает подъемную силу в полете? Тайну эту удалось раскрыть только благодаря высокоскоростной киносъемке. В чем же состояла интрига?
А вот в чем. Длительное время наука при помощи традиционного аэродинамического анализа не могла полностью описать шмелиный полет
. В финале расчетов всегда получалось, что это насекомое не имеет права летать. А шмель, не зная про расчеты, продолжал прекрасно летать! Парадокс? Вся особенность его в том, что шмель летает своим способом, который более всего близок к вертолетному и полностью противоречит самолетному. У ученых не хватало воображения. Лишь скоростная съемка позволила при покадровом замедленном просмотре увидеть, на первый взгляд, невероятное.
Вот в сжатой форме словесное описание полета шмеля из заключения ученых: «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».
Даже мысленно, закрыв глаза, представить себе это сложно. Приблизительно это соответствовало бы тому, что лопасти у вертолета гибкие и при вращении изгибаются в разные стороны и с разными периодами во времени. Полный бред с технической точки зрения! Такого быть не может в мире авиационной техники. Но такое давным-давно природа дала шмелям.
Математически шмелиный полет до сих пор не удается описать в полном объеме. Даже у компьютера не хватает «воображения»! А ведь шмель сложнейшие «переворачивания» крыльев в полете производит без знания математики со скоростью от 300 до 400 взмахов в секунду! Сравнить можно лишь, пожалуй, с полетом колибри.
Шмели, как и пчелы, занимаются опылением растений, собирают нектар, производят мед. А для этого надо облететь множество цветов. И вот новая тайна, подмеченная учеными совсем недавно. Шмели на облет цветов всегда затрачивают минимум сил и времени, «просчитывая» свой маршрут намного быстрее компьютера!
Вопрос: каким образом это делает шмель? Ответа пока нет. Предположительно, шмели «фотографируют» свои полеты и потом на такой «карте» видят наиболее короткий путь к каждому цветку. А из разряда фантастических предположений — шмели, мол, телепатически «обмениваются» информацией о наиболее коротких маршрутах.
Как бы там ни было, но факт остается фактом: компьютер на таких вычислениях «зависает», поскольку задача имеет сразу несколько сложных параметров. В частности, надо учитывать меняющуюся скорость ветра; обширность площади, с которой берется нектар; количество цветов, уже посещенных другими шмелями; влажность воздуха, влияющую на количество взмахов крыльями в секунду…
Еще одна удивительная тайна шмелей — они видят быстрее всех живых существ на нашей планете, включая и человека!
В очень сложных экспериментах учеными зафиксировано с помощью приборов, что импульсы по нервам шмеля от глаз к крошечному мозгу идут в пять раз быстрее, чем у нас с вами. Каким образом природа дала этим мохнатым гудящим насекомым столь качественное зрение?
Не полностью еще раскрыта и загадка, что заставляет шмеля басовито гудеть
? Вариантов с предположениями уже несколько. Самый вероятный, на первый взгляд, для малопосвященных в шмелиные тайны людей — гудение создается крыльями. Но у пчел тоже сложно работают в полете крылья, а столь громкого гудения они почему-то не создают.
Давно замечено, что шмели начинают трудиться ранним утром (еще задолго до восхода солнца). А это, как правило, самое холодное время суток. По этой причине логично, вроде бы, выглядит предположение на тот счет, что шмели гудят от холода, стараясь учащенным сокращением мышц согреться. Но это предположение не выдерживает критики, так как шмели — одни из самых холодостойких насекомых! Они встречаются, например, в Гренландии и на Аляске. Примечательно, что около 300 видов шмелей живут в Северной Евразии, в Северной Америке и в горах. Но только два вида обнаружены учеными в теплых краях. Так что гудеть от холода, чтобы согреться, шмелям нет никакой необходимости.
Тогда для чего они гудят? Еще одно предположение — чтобы «отпугнуть» от цветов конкурентов. Но и здесь есть противоречие. На лугах и полях с клевером у шмелей нет конкурентов. Но они гудят и там.
Теги: исследования, загадка, интересный факт, насекомые, природа
[править] В миру
Шмель не должен, а пчёлы не знают, ога.[1]
В те времена и правда едва ли представлялось возможным достойно изучить полет насекомых уже просто потому, что уровень возможностей фотоаппаратуры долгое время не позволял фиксировать точную траекторию движения их крыльев. С достижением оного, а также развитием этой самой аэродинамики с открытием новых законов и принципов, сабж постепенно стал утрачивать ореол таинственности и не так давно лишился его вовсе. Ныне интернеты полнятся ликованием относительно того, что очередные британские ученые в очередной раз «опровергли распространённое заблуждение о невозможности полёта шмеля».
Тем не менее, сабж в изначальном виде всё ещё предсказуемо популярен в социальных сетях[2], как известно, чуть менее, чем полностью заполненных любителями «эффектных» цитат и демотиваторов различной степени безграмотности, не привыкшими проверять ту поебень, под которой подписываются. Также эта мудрая мысль слегка обстёбывается в мультике «Би Муви. Медовый заговор», только там не должна летать уже пчела.
Образ жизни
Шмель – это очень полезное насекомое, так как он опыляет те растения, которые не в состоянии опылить пчелы. Это единственный вид, который способен опылять клевер, поэтому без шмелей не следует рассчитывать на получение урожая. Эти насекомые формируют гнезда, как под землей, так и на поверхности земли.
Интересный факт! Зачастую, особенно утром можно услышать, как из их гнезд доносится жужжание. Длительное время считалось, что таким образом насекомые вентилируют гнездо. На самом деле, как выяснилось позже – это не что иное, как своеобразная зарядка перед вылетом. С помощью движений крыльями они разогреваются, при этом их температура тела повышается на несколько десятков градусов.
Шмель считается, как и пчела, насекомым социальным, поскольку в его семье существует распределение обязанностей. Семья состоит из матки, рабочих самок и самцов. Рабочие особи формируют жилье и собирают мед, качество которого заметно ниже, по сравнению с медом пчелиным. При этом объемы собираемого меда также незначительное.
В обязанности матки входит постоянное возобновление семейства. Первых личинок, появившихся из яиц, также выкармливает она, а последующее потомство уже выкармливают рабочие особи. Рацион питания личинок состоит из смеси меда и пыльцы. Самцы после оплодотворения матки навсегда покидают гнездо.
Интересный факт! Если в семье нет матки, то яйца могут откладывать рабочие самки.
Длительность жизни шмелей ограничивается одним сезоном, за исключением матки, которая зимует. При этом существуют виды, обитающие в тропиках, которые размножаются круглый год, но и они живут не больше года.
Это интересно! Вид, населяющий бассейн реки Амазонка способен жить несколько лет.
Каждый огородник должен знать, что шмели исключительно полезные насекомые.
[править] Разбор полётов
Slo-mo
Механика машущего полёта насекомых — реально сложный матан, и далёкий от физики человек едва ли сможет его полностью понять и уж тем более объяснить другому, просто прочитав его описание. Что касается конкретно шмеля, то очень упрощённо суть можно пояснить так: при быстрых-быстрых взмахах крыльев, имеющих определённую гибкость и траекторию движения, у их краёв образуются кольцевые завихрения воздуха, которые «сбрасываются» при завершении взмаха и создают насекомому необходимую подъёмную силу и определяют направление движения.
Следует, всё же, заметить, что шмель, несмотря на применение передовых достижений в биомеханике, далеко не самый искушенный летун среди своих членистоногих собратьев. Миллионы мух летают аналогичным шмелю образом, однако при этом, в силу ряда причин, они более приспособлены к тому самому высшему пилотажу, который вызывает у анонимуса тонны ненависти и сильно затрудняет их последующее истребление. А вот более подкованные в физике бабочки умеют использовать в процессе перемещения различные принципы, не ограничиваясь сбросом воздушного потока. Они тоже упорно не вписывались ни в какие теории до того, как скоростная киносъёмка дефлорировала их тайну. Крейсерский полёт у бабочек не менее хитрожопый, чем у шмеля: бабочки «аплодируют» крыльями, смыкая их сначала концами, а потом уже по всей площади. Воздух из этой трубки по мере её схлопывания выталкивается назад, бодро подталкивая расписную тварь вперёд и вверх. Кроме того, бабочки умеют планировать, расправив крылья, там, где шмель, сделав то же самое, просто ёбнется жопой о землю.
В итоге остаётся только в очередной раз преклонить колени перед матерью-природой, создавшей такие сложные и совершенные лётные механизмы для своих насекомых отпрысков, несмотря на то, что особого профита от их исследований всё равно нет — бытует мнение, что в человеческих масштабах полёт насекомого не воспроизвести — не позволит всё та же физика, но это уже совсем другая история.
С какой скоростью может летать шмель?
Полет разных насекомых сильно отличается по скоростям. Шмель считается относительно медлительным насекомым. Питаясь нектаром, перелетая при этом с цветка на цветок, земляная пчела не спешит. Скорость полета шмеля составляет около 1 метра в секунду. Обычно насекомое не улетает далеко от излюбленного места кормления или сбора нектара. Возвращается на приглянувшиеся цветы. Может снова и снова проверять одно и то же растение.
Максимальная скорость полета шмеля точно не известна. Зафиксировано число 5 метров в секунду. Однако пишут и о 15 м/с.
Мир насекомых не перестает удивлять и любителей природы, и профессиональных биологов, и специалистов других наук. Окраска крыльев бабочек, скорость комаров, фасеточное зрение насекомых изучаются учеными с целью воплотить новые передовые аппараты в жизнь человека. Полет шмеля также изучается уже около века. В настоящее время интерес только возрос. Аэродинамические характеристики этого насекомого удивляют и восхищают знатоков физики. Настолько гениально создала его природа.
Почему шмель летает?
У шмеля маленькие крылышки, а масса тела большая. По идее он летать не должен. А он почему-то летает.
Вообще, непонятно, кто это определил это как чудо? Почему шмель не должен летать? Я всегда считал, что это возможно! Он же машет крыльями! Причем очень быстро.
Если не полениться и заглянуть хотя бы в Википедию, то там написано, что раньше полет шмеля почему-то моделировался по формулам расчета подъемной силы самолета.
А что такое самолет? Это аппарат, подъемная сила которого возникает из-за разности давления воздуха над и под крылом. Известно также, что самолет не машет крыльями.
Расчет полета шмеля надо делать по модели полета не самолета, а ВЕРТОЛЕТА! Тогда будет все нормально. У вертолета площадь винтов тоже маленькая, а соотношение веса и вертолета и площади винтов еще хуже, чем у шмеля, но вертолет-то ЛЕТАЕТ! И ни у кого это не вызывает удивления.
Я тоже знаю, что согласно законам физики, шмель не может летать.
Потому что его крылья уж очень маленькие и тоненькие для того, чтобы поднять вес его тела.
Только вот шмель об этом скорее всего не знает, летает и все!))
Вообще существует много предположений по этому вопросу. Я помню даже читала, что один ученый доказал, что нет никаких противоречий и шмель летает, так как должен летать.
Я все-таки придерживаюсь мнения, что он летает из-за того, что быстро машет крылышками. У него крылья в полете описывают своеобразную восьмерку, ну или что-то подобное, вследствие чего он и может летать! Ну это конечно все спорно..
П.С. кстати, сейчас немного не в тему, но я знаю, что шмель является символом компании Mary Kay. Она дарит брошь в виде шмеля своим клиентам. Якобы, каждый человек может достигнуть высот и выйти за границы своих возможностей!))
Полет шмеля оказался устойчив к турбулентности
Компьютерная модель шмеля в аэродинамическом канале
Изображение: K. Schneider/Aix-Marseille Univ.
Международный коллектив ученых выяснил, насколько легко приходится шмелям летать в сильно ветреную погоду. Оказалось, что даже в условиях значительной турбулентности особый механизм создания подъемной силы позволяет насекомым оставаться на лету с минимальными дополнительными затратами энергии. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Авторы проводили численное моделирование полета шмеля в виртуальном «аэродинамическом канале». Для этого ученые разбивали пространство на 680 миллионов ячеек, в каждой из которых решали дифференциальные уравнения Навье-Стокса, которые описывают течение газа (воздуха, в данном случае). При этом модель шмеля играла роль жесткого препятствия. Для того, чтобы правильно воссоздать, как шмель машет крыльями, авторы пользовались более ранней записью полета насекомого на скоростную камеру.
В компьютерном эксперименте шмель двигался вперед со скоростью два с половиной метра в секунду. Авторы варьировали параметры потока, плавно увеличивая интенсивность турбулентности: отношение средней скорости турбулентных вихрей к средней скорости потока воздуха.
Положения крыльев шмеля, а также значения сил и мощности во время полета.
Изображение: T. Engels et al./ Physical Review Letters
Измерив среднюю мощность, которую шмелю приходилось затрачивать, чтобы оставаться в полете, ученые отметили, что она практически не изменялась в зависимости от интенсивности турбулентности: от 84.05 до 85.44 ватт на килограмм массы. Однако, возникающий вращательный момент (в случае реального шмеля) приводил бы к неизбежному крену. На его компенсацию насекомому потребовалось бы затратить значительную энергию.
Летающие насекомые, такие, как шмели или мухи, являются перспективным моделью для создания дронов нового поколения. В современных устройствах применяются вращающиеся роторы, тогда как насекомые машут крыльями вперед и назад. При этом подъемная сила возникает благодаря вихрям на передней кромке крыла. Такой механизм оказался эффективным в борьбе с турбулентными потокам.
Интересно, что сильный ветер еще не обязательно влечет за собой образование турбулентных участков. К примеру, шмель, летящий над полем, будет восприимчив к резким порывам ветра, но не вихрям. Для того, чтобы образовалась развитая турбулентность, необходимы препятствия, например, стволы деревьев.
Парадокс шмеля, или Трактат О подъёмной силе
Леонардо да Винчи (1452-1519) открыл будущим авиаконструкторам принцип пропорциональности: подъёмная сила пропорциональна площади несущих поверхностей. При этом сам он думал так: дескать, если пропорции, скажем, комара увеличить до масштаба тела человека, то получится человек-комар, и он, скорее всего, полетит. Сам принцип пропорциональности до сих пор используется при создании совершенно новых самолётов. И работает он так: сначала конструкторы делают небольшую модель и испытывают её в аэродинамической трубе; потом – небольшой самолёт-аналог; и только потом – самолёт-прототип. Принцип пропорциональности Леонардо да Винчи следовало бы знать всем тем чудакам, что прыгали с Эйфелевой башни с крохотными крылышками за спиной.
Александр Можайский (1825-1890) установил, что подъёмная сила крыла пропорциональна его площади, его углу наклона к вектору движения, его скорости и плотности воздуха. Все эти четыре фактора он объединил и назвал одним термином – «лобовое сопротивление». Причём ни у его воздушного змея, на котором он «дважды поднимался в небо и летал с комфортом», ни у его модели самолёта, действовавшей от часовой пружины и перевозившей по воздуху офицерский кортик, ни у «самолёта Можайского» ещё не было настоящих крыльев.
Специалисты NASA сразу признали теорию «присоединённых вихрей» Жуковского «нефизической», так как никакие вихри не «присоединяются» под крылом самолёта и не создают подъёмную силу. Объяснение Эйнштейном подъёмной силы через различную скорость обтекания несимметричного профиля и известный закон Бернулли они вообще признали «нелогичным», так как сам Эйнштейн и под дулом пистолета не смог бы объяснить увеличение подъёмной силы при разгоне самолёта, ведь оба потока – верхний и нижний – ускоряются при этом совершенно одинаково, а закон Бернулли действует и сверху, и снизу крыла. Таким образом, ими было принято только объяснение Александра Фёдоровича Можайского – «подъёмная сила плоского крыла равна его лобовому сопротивлению при положительных углах атаки». Говорят, к этом же выводу пришёл когда-то ещё сам Ньютон.
Мы «плотность среды» и «массовая плотность среды» в формуле Можайского заменим на «упругая плотность среды» и решим «парадокс шмеля» проще простого. «Упругость газов равна давлению в них» (М.В. Ломоносов). Вот через разницу атмосферного давления на нижнюю и верхнюю поверхности крыла мы и найдём искомую подъёмную силу.
Физики из NASA хотели вычислить подъёмную силу, но сели в лужу. Почему так получилось. А потому, что математика к природе вещей и движения не имеет никакого отношения, но они об этом словно не знали. Иначе говоря, в природе реально существует только то, что математик сосчитать не может. А то, что он может сосчитать, он придумал. И вообще, тот, кто пустил в физику математиков, сделал фатальную для неё, физики, ошибку. Сейчас мы вам кое-что объясним, не написав при этом ни одной формулы.
Трактат «О подъёмной силе»
Аксиома полётов: «Всё, что летает, делает это по причине асимметричного атмосферного давления на него».
Аксиома крыла: «Подъёмная сила любого крыла равна положительной разнице двух встречных атмосферных давлений на него – нижнего и верхнего».
Аксиома самолёта: «С хорошим движком даже дверь полетит – был бы положительный угол атаки».
Теорема 1. Идеальный аэродинамический профиль – это «беспрофиль», то есть плоское, как лезвие безопасной бритвы, крыло.
Теорема 2. Асимметричное атмосферное давление на плоское крыло возникает и при его нулевом угле наклона к вектору движения воздушного потока, если верхняя поверхность крыла испещрена микроскопическими неровностями, а нижняя – максимально гладкая.
Теорема 3. Подъёмная сила атакующего плоского крыла пропорциональна его площади, его углу атаки, его скорости и упругой плотности среды. А возникает она за счёт уплотнения упругого и инертного воздуха под быстрым крылом и пропорционального разрежения инертного воздуха в прилегающем слое над ним. Как диагональ делит прямоугольник на два равных треугольника, так и атакующий «беспрофиль» делит встречный атмосферный поток на две равнозначные и самостоятельные причины возникновения подъёмной силы.
Терема 4. Подъёмная сила беспрофильного крыла при машущем и вибрирующем движениях крыла насекомых и птиц возникает как на опускании, так и на подъёме крыла, так как при этом тоже образуются обтекающие крыло параллельные атмосферные потоки – верхний и нижний.
Теорема 6. Идеальный аэродинамический профиль крыла сверхзвукового самолёта – это «перевёрнутый острый прямоугольный треугольник», когда верхняя поверхность тонкого крыла параллельна продольной оси фюзеляжа, а нижняя наклонена на крейсерский угол атаки примерно в 1 градус.
Вывод: наша авиация развивалась не благодаря, а вопреки научной аэродинамике горбатых крыльев, то есть способом проб и ошибок или «методом тыка». Так что, слава интуиции наших конструкторов и их изобретательской жилке!
И ещё. Каждый, кто попытается вникнуть в научную аэродинамику, поглупеет буквально на глазах. И «Не осознать бедняге в заблужденье,/Как много лжи за ширмой исчисленья (Поздняков).
На рисунке вверху не хватает отрезка прямой линии или черты. Вот, собственно говоря, и всё.
Наука в мире животных: как и почему летают пчелы и шмели
В 2007 году появился фильм «Bee Movie», посвященный насекомым. Фильм неплох, но в нем прозвучало мнение, что пчелы, согласно принципам авиации, не должны летать, но летают. Это мнение быстро распространилось, и его принялись повторять на все лады журналисты, популяризаторы науки и обычные люди. Справедливости ради стоит заметить, что заблуждение о невозможности полета пчел и шмелей существовало задолго до фильма — где-то с начала XX века.
Проблема в том, что пчелы, шмели и другие летающие насекомые — вовсе не самолеты. Конечно, если рассчитывать подъемную силу крыльев пчелы при помощи математического аппарата авиастроения, то вывод будет, как и в фильме — пчелы и шмели не должны летать. Их небольшие крылышки просто не разовьют подъемную силу, достаточную для того, чтобы насекомое поднялось в воздух. На самом деле все гораздо сложнее и интереснее одновременно.
Взмахи крылышками и динамическое сваливание
У обычных самолетов крылья имеют достаточно жесткую конструкцию, они закреплены на корпусе самолета и составляют с ним единое целое. У них есть определенная степень гибкости, но с точки зрения аэродинамики существенного эффекта она не оказывает. Именно благодаря неподвижности крылья самолета обеспечивают значительную подъемную силу, которой достаточно для того, чтобы аппарат тяжелее воздуха оторвался от поверхности и летел.
У крыльев самолета — специфический аэродинамический профиль. Если увеличить угол наклона крыла по отношению к воздушному потоку, крыло создаст бОльшую подъемную силу. Но если угол будет слишком большим, то подъемная сила исчезнет, этот эффект называется сваливанием. Исчезни подъемная сила — и самолеты попадают.
У пчел, как и многих других насекомых, нет неподвижных крыльев, как у самолета. Для того, чтобы лететь, им нужно активно махать крыльями — это позволяет как бы оттолкнуться от воздуха и создать подъемную силу. Крылья в процессе взмаха совершают невероятно сложную траекторию движения. Крыло выполняет сложные движения на всем пути от начальной точки до конечной. Машущее крыло создает подъемную силу благодаря целому ряду физических явлений.
Первое из них — образование сильного завихрения на передней кромке крыла. Это явление называется динамическим сваливанием или же отсутствием сваливания (dynamic stall, absence of stall). Крыло находится под очень большим углом атаки при движении вверх и вниз. Угол атаки — угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у крыла самолёта это будет хорда крыла, у самолёта — продольная строительная ось, у снаряда или ракеты — их ось симметрии.
В итоге воздушный поток разделяется с образованием завихрения у передней кромки крыла. В процессе полета завихрение остается на том же месте благодаря особенностям потока. Создается большая подъемная сила — благодаря разнице давлений. Если бы завихрение не возникало, то и подъемной силы бы не было.
Второе — эффекты благодаря вращению крыльев насекомого. При вращении крыла увеличивается завихрение на передней кромке, соответственно, растет и подъемная сила. Изменяя точку вращения крыла, можно менять и подъемную силу при каждом взмахе.
Диаграмма, показывающая разницу в аэродинамических характеристиках крыльев в режимах опережающего, симметричного и замедленного вращения. Черные линии представляют крыло, а точка показывает переднюю кромку. Красные стрелки показывают величину и направление сил. Эти данные были собраны с помощью модели машущего крыла робота. (Дикинсон, Lehmann & Sane, 1999)
А что там у других летающих насекомых?
Сложные механизмы полета наблюдаются не только у пчел, но и у других насекомых и птиц. У многих видов есть собственная техника увеличения подъемной силы с одновременной оптимизацией затрат энергии на выполнение взмаха. Ширококрылые бабочки в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полета цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха, 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 и 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.
У многих насекомых при взмахе вверх возникает кратковременный импульс силы за счет расширения ранее образовавшегося кольца с ускорением воздуха назад. Важнейшую роль играют и особые движения крыльев, включая хлопок в верхней или нижней точке взмаха.
Шмели используют примерно тот же механизм полета, что и пчелы. И они тоже летают без всяких проблем. Проблема с объяснением механизма полета этих насекомых возникла именно из-за сложной траектории крыльев. Пчела совершает около 230 взмахов крыла в секунду, шмель — 300, в некоторых случаях — 400. Благодаря скорости, а также тому, что аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко зафиксированное крыло, насекомые и летают.
Ну а проблема с «невозможностью полета пчелы» возникли из-за неверной трактовки законов аэродинамики в применении к движущимся крыльям, причем без учета ряда принципов механики вязкой среды и газовой динамики.
В начале XX века считалось, что шмель по законам физики не может летать. Что не так с этим утверждением?
Шмелю всё равно, что там про него говорят.
Шмель летать не должен
— известный «научный» парадокс, на самом деле, давно уже переставший быть таковым, но всё ещё нередко воспроизводимый разными недалёкими личностями. Иногда вместо шмеля подставляется майский жук, но сути это не меняет.
Полностью этот боян звучит так: «По законам физики шмель летать не должен, но он об этом не знает и всё равно летает»
. От одной только такой постановки проблемы забьётся в конвульсиях не то что учёный, но и любой здравомыслящий человек, понимающий, что наука призвана вовсе не огораживать человечество от окружающего мира, а как раз таки рационально этот мир познавать. Но обо всём по порядку.
[править] Предыстория
Суть проблемы для самых маленьких: жирдяй с малюсенькими крылышками.
Рождение сабжа овеяно легендами и относится к началу ХХ века, когда один великомудрый учёный (имена называются разные, чуть ли не сам Людвиг Прандтль) решил произвести расчёт подъёмной силы крыльев шмеля. Почему именно шмеля? Шмель — насекомое с символизирующим латинским названием Bombus, имеет слишком маленькие крылья относительно размеров и массы собственного тела, но при этом всё равно умудряется летать, в связи с чем представляет для исследований особый интерес.
Поскольку дело было только на заре аэродинамики, учёный применил к шмелю формулы расчета подъёмной силы самолётов, в результате чего потерпел фейл и заключил, что шмель летать не должен и делает это фактически вопреки законам физики. Даже если это и правда, то проделал он всё это, вероятнее всего, исключительно для лулзов, потому как не мог не понимать, что аэроплан, в отличие от шмеля, крыльями не машет, механика полёта у него совсем другая и к шмелям она по определению не подходит. Изучение полёта насекомых, таким образом, ждало своего часа. Тем не менее, попирающий основы мироздания шмель, не дожидаясь, меметизировался и полетел пошёл в народ, где снискал широкую популярность и как аргумент в пользу бессилия науки, и как годный катализатор СПГС, и просто как прикол, которым не грех под стакан повеселить друзей и коллег по работе.
Знакомство со шмелем
Шмель (земляная пчела или Bombus) относится к перепончатокрылым из семейства пчелиных. Они обитают везде (даже в прохладной Гренландии, снежной Аляске и суровой Чукотке), но вот Австралию толстые мохнатые насекомые не любят – их завезли туда недавно. В зоологическом мире 250 видов земляных пчел.
Шмель большое насекомое, его тельце с густыми черными волосками, достигает длины в 3,5-4 сантиметра. Бомбусы – существа миролюбивые и доброжелательные. Они умеют жалить, но, в отличие от пчел, кусаются неповоротливые создания редко и гораздо слабее.
Как живет шмель.
Шмели могут быть одиночками и создавать семьи. Виды насекомых, обитающих в условиях севера (где короткое одномесячное лето), обитают в гордом одиночестве. А в благодатных, теплых районах земляные пчелы успевают за летний сезон создать семью (проживет шмелиная семья ровно одно лето).
В зонах тропика некоторые виды шмелей создают многолетние семьи с огромным количеством домочадцев (до 500 особей). Бомбусы подразделяются на три группы:
У мохнатых насекомых существуют зимние подземные норы – там проживает матка. По весне шмели выстраивают гнезда. Шмелиные жилища похожи на пчелиные. Личинки шмелей (в отличие от иных представителей мира насекомых), вылупляются и обитают в одной капсуле. В остальных отсеках гнезда шмели оборудуют медовые склады.
Там же они хранят и перги (пчелиный «хлеб»), оно спасает мохнатых, черно-золотых созданий от периода непогоды. У шмелиной семьи есть иерархия и четкое распределение обязанностей. Кто-то строит гнездо, другие собирают пыльцу.
Матка за жизнь откладывает 300-400 яиц для вывода рабочих существ. Ее последний выводок состоит из новых маток, которые и остаются зимовать, чтобы по весне дать жизнь новому потомству. Старая матка умирает.
Гнездо шмеля (или бомбидарий) – овальные, неправильной формы ячейки, созданные из буроватого либо красного воска. Жилища шмели обустраивают в дуплах, между каменистыми зазорами, на земле рядом с моховыми растениями, ветками. Земляные пчелы могут занять птичьи гнезда, норы кротов или мышей.
Они не следят за состоянием гнездовья и не пользуются одной сотой дважды для выведения потомства. Новые соты строятся на старых, полуразрушенных, поэтому шмелиные гнезда выглядят неряшливо.
Шмели умеют вентилировать жилище. Они зависают у входа в гнездо и активно трепещут крылышками, прогоняя в жилье потоки свежего воздуха.
А в холода насекомые превращаются в обогреватели. Они дружно сокращают мышцы, находясь на одном месте, издавая знакомый гудящий звук. Совместное гудение обогревает воздух в гнезде и поднимает его до комфортного для насекомых режима в +30-35⁰ С.
Любимая пища земляных пчел – нектар. Они собирают его с распустившихся бутонов. У мохнатых насекомых есть одна удивительная способность – при интенсивной работе грудных мышц, насекомые поднимает у себя температуру тела до +40 ⁰ С.
Благодаря такой возможности, шмели принимаются за работу над цветами ранним утром, когда воздух еще не прогрелся. Из-за этого мохнатых насекомых называют «теплокровными». Такая способность разрешает бомбусам обитать в северных районах. В отличие от обычных, земляные пчелы не создают запасов меда – он им нужен лишь для спасения от голода при ненастной погоде.
Когда появились шмели.
Когда бомбус впервые увидел мир – неизвестно, хотя найденные окаменелые остатки насекомых датируются в 25-40 млн. лет. Окаменелый шмель – редчайшая находка, попасть в смолу крупному насекомому и утонуть в ней сложно. Такие находки обнаруживали в Азии.
Земляная пчела – ценнейший опылитель. Благодаря длинному хоботку, это насекомое опыляет такие растения, с которыми не справляются обычные пчелы. Человечеством создана отрасль, посвященная выведению шмелей – шмелеводство. Мохнатых насекомых искусственно разводят для опыления растительных культур с целью увеличения урожайности.
Это любопытно
В природе проживают дальние родственники земляных пчел: шмели-кукушки. Это паразитические насекомые, социальные клептопаразиты, разучившиеся собирать и хранить пыльцу. Они ее воруют у своих собратьев, не забывая подкинуть в шмелиные гнезда своих личинок.
Как летает шмель.
Крупные создания летают со скоростью в 18-20 км/час. В полете 90% энергии насекомого преобразуется в тепло. Летая, мохнатое существо имеет температуру тельца на 20-30⁰ выше окружающего пространства. У насекомых природа предусмотрела механизм охлаждения. Когда земляные пчелы в полете перегреваются, из специальных желез они выпускают на себя каплю прохладной жидкости.
Бомбусы, как и остальные насекомые, не могут летать спиной вперед. Это умеет делать лишь колибри. Из-за маленького размера птичку часто принимают за толстенького шмелика, поэтому существовало мнение, что шмель умеет летать таким неординарным способом.
Самый крупный бомбус обитает в центральных районах Америки. Длина его тела достигает 5 сантиметров. А самое маленькое шмелиное создание облюбовало ареал проживания в Центральной Европе, длина насекомого всего полтора сантиметра.
. У людей существует распространенное мнение, что земляная пчела летает вопреки признанным законам аэродинамики. Это миф или летающее насекомое действительно «рушит» основы физики и обладает уникальной способностью? Или это представитель иной, развитой цивилизации, живущей по другим понятиям?
[править] В миру
Шмель не должен, а пчёлы не знают, ога.
В те времена и правда едва ли представлялось возможным достойно изучить полет насекомых уже просто потому, что уровень возможностей фотоаппаратуры долгое время не позволял фиксировать точную траекторию движения их крыльев. С достижением оного, а также развитием этой самой аэродинамики с открытием новых законов и принципов, сабж постепенно стал утрачивать ореол таинственности и не так давно лишился его вовсе. Ныне интернеты полнятся ликованием относительно того, что очередные британские ученые в очередной раз «опровергли распространённое заблуждение о невозможности полёта шмеля».
Тем не менее, сабж в изначальном виде всё ещё предсказуемо популярен в социальных сетях[1], как известно, чуть менее, чем полностью заполненных любителями «эффектных» цитат и демотиваторов различной степени безграмотности, не привыкшими проверять ту поебень, под которой подписываются. Также эта мудрая мысль слегка обстёбывается в мультике «Би Муви. Медовый заговор», только там не должна летать уже пчела.
Ошибочная гипотеза
Математическими формулами и законами аэродинамики объясняли полеты многих насекомых:
Аэроанализу подвергали любое летающее живое существо и после некоторых вычислений становилось ясно, как оно летает. Когда очередь дошла до шмеля, который является ближайшим родственником пчелы, ученые зашли в тупик. Они пытались применить формулы, по которым рассчитывается подъемная сила, действующая на самолет.
Нет ничего удивительного в том, что эти формулы никак не подходили к полету насекомого. Площадь поверхности его крыльев была слишком мала, чтобы создать силу, способную поднять грузное тело. Никакой речи о планировании в потоке воздуха здесь не было. Вывод был однозначный и курьезный: шмель не может летать.
[править] Разбор полётов
Slo-mo
Механика машущего полёта насекомых — реально сложный матан, и далёкий от физики человек едва ли сможет его полностью понять и уж тем более объяснить другому, просто прочитав его описание. Что касается конкретно шмеля, то очень упрощённо суть можно пояснить так: при быстрых-быстрых взмахах крыльев, имеющих определённую гибкость и траекторию движения, у их краёв образуются кольцевые завихрения воздуха, которые «сбрасываются» при завершении взмаха и создают насекомому необходимую подъёмную силу и определяют направление движения.
Следует, всё же, заметить, что шмель, несмотря на применение передовых достижений в биомеханике, далеко не самый искушенный летун среди своих членистоногих собратьев. Миллионы мух летают аналогичным шмелю образом, однако при этом, в силу ряда причин, они более приспособлены к тому самому высшему пилотажу, который вызывает у анонимуса тонны ненависти и сильно затрудняет их последующее истребление. А вот более подкованные в физике бабочки умеют использовать в процессе перемещения различные принципы, не ограничиваясь сбросом воздушного потока. Они тоже упорно не вписывались ни в какие теории до того, как скоростная киносъёмка дефлорировала их тайну. Крейсерский полёт у бабочек не менее хитрожопый, чем у шмеля: бабочки «аплодируют» крыльями, смыкая их сначала концами, а потом уже по всей площади. Воздух из этой трубки по мере её схлопывания выталкивается назад, бодро подталкивая расписную тварь вперёд и вверх. Кроме того, бабочки умеют планировать, расправив крылья, там, где шмель, сделав то же самое, просто ёбнется жопой о землю.
В итоге остаётся только в очередной раз преклонить колени перед матерью-природой, создавшей такие сложные и совершенные лётные механизмы для своих насекомых отпрысков, несмотря на то, что особого профита от их исследований всё равно нет — бытует мнение, что в человеческих масштабах полёт насекомого не воспроизвести — не позволит всё та же физика, но это уже совсем другая история.
Все дело в крыльях
Полет шмеля
Наука и техника не стояли на месте и вскоре к вопросу о полете шмеля вернулись. Теперь к решению этой задачи подошли более тщательно, записав на видеокамеру, как летает шмель. С помощью современной аппаратуры удалось рассмотреть все движения крыльев насекомого в замедленном действии и начать строить новую гипотезу.
На видеозаписи специалисты разглядели принцип движения крыльев. Маленькие и невзрачные, они совершали очень необычные взмахи. Помимо возвратно-поступательных движений они одновременно совершали еле заметные колебательные вибрации, похожие больше на мелкую дрожь. Именно эти высокочастотные колебания стали причиной полета насекомого.
Во время наблюдений за движением крыльев мохнатого родственника пчелы было подсчитано, что он совершает ими 300-400 взмахов в секунду.
Благодаря этим микровибрациям крылышек вокруг их концов создаются завихрения воздуха с переменным значением плотности. Разница в плотности потоков воздуха и создает подъемную силу, действующую на насекомое. Такими завихрениями не обладают взмахи крыльев бабочки или пчелы, поэтому изначально к данному выводу не смогли прийти.
С какой скоростью может летать шмель?
Полет разных насекомых сильно отличается по скоростям. Шмель считается относительно медлительным насекомым. Питаясь нектаром, перелетая при этом с цветка на цветок, земляная пчела не спешит. Скорость полета шмеля составляет около 1 метра в секунду. Обычно насекомое не улетает далеко от излюбленного места кормления или сбора нектара. Возвращается на приглянувшиеся цветы. Может снова и снова проверять одно и то же растение.
Максимальная скорость полета шмеля точно не известна. Зафиксировано число 5 метров в секунду. Однако пишут и о 15 м/с.
Мир насекомых не перестает удивлять и любителей природы, и профессиональных биологов, и специалистов других наук. Окраска крыльев бабочек, скорость комаров, фасеточное зрение насекомых изучаются учеными с целью воплотить новые передовые аппараты в жизнь человека. Полет шмеля также изучается уже около века. В настоящее время интерес только возрос. Аэродинамические характеристики этого насекомого удивляют и восхищают знатоков физики. Настолько гениально создала его природа.
Аппарат будущего
Жесткая передняя часть крыльев сочетается с гибкой задней. Это тоже необходимо для отличного полета. В XXI веке полет насекомых продолжают изучать специалисты разных областей. Люди стремятся спроектировать летательный аппарат с качествами полета шмеля. Это был бы новый прорыв в авиастроении. Новому аппарату не мешала бы турбулентность воздуха.
Скорости полета шмеля препятствуют лишь встречные потоки воздуха. Насекомое летает и в ненастную погоду. Это радует садоводов. Шмели опыляют растения при плохих погодных условиях.
Доказательная база от ученого-физика
Шмель
Впервые научно-обоснованное заключение по полету шмеля было представлено всеобщему обозрению в середине прошлого столетия. Женщина-физик Чжэн Джейн Ван, работающая в известном Корнеллском университете США, привела доказательную базу по образованию подъемной силы за счет завихрений.
Физик потратила немало времени на тщательные исследования по этому вопросу, и к ее гипотезе не было возражений. Еще она отметила, что основной ошибкой ученых, уверяющих, что по законам физики шмель не может летать, было отсутствие достаточных знаний в определенных разделах аэродинамики.
Применение формул, по которым рассчитывается полет авиалайнера со статичным состоянием крыльев, невозможно к расчету полета насекомого, которое активно машет крылышками в нескольких плоскостях. Такое движение в воздухе является ярким примером раздела нестационарной газово-вязкой динамики.
Итогом всех этих исследований стало окончательное заключение, что мохнатый родственник пчелы летать может. Интересней тот факт, что насекомое и без этих сложных и долгих умозаключений великих умов как летало, так и продолжает летать. Даже если впоследствии появится новая гипотеза аэродинамики шмеля, он все равно будет совершать свои ежедневные полеты, несмотря ни на что.