Наука в мире животных: как и почему летают пчелы и шмели
В 2007 году вышел фильм Bee Movie о насекомых. Фильм был неплохой, но он показал, что, согласно принципам авиации, пчелы должны летать, когда не должны. Это мнение быстро распространилось и стало всячески повторяться журналистами, популяризаторами науки и широкой публикой. Не будет преувеличением сказать, что заблуждение о том, что медоносные пчелы и шмели не могут летать, существовало задолго до появления фильмов — где-то в начале 20 века.
Проблема в том, что пчелы, шмели и другие летающие насекомые не являются самолетами. Конечно, если рассчитать подъемную силу крыльев медоносной пчелы, используя математический аппарат авиационной техники, вывод будет таким же, как и в фильме — пчелы и медоносные пчелы не должны летать. Их крошечные крылья не создают достаточной подъемной силы, чтобы поднять насекомых в воздух. На самом деле, она в то же время гораздо сложнее и интереснее.
Закрылки и динамические сваливания
В обычных самолетах крылья очень жесткие и крепятся к фюзеляжу самолета за одно целое. Они обладают определенной степенью гибкости, но это не оказывает существенного аэродинамического воздействия. Крылья самолетов обеспечивают значительную подъемную силу в неподвижном состоянии. Этого достаточно для того, чтобы летательные аппараты тяжелее воздуха могли отрываться от поверхности.
Крылья самолетов имеют определенный аэродинамический профиль. Если угол наклона крыла к воздушному потоку увеличивается, крыло создает большую подъемную силу. Однако если угол слишком велик, подъем исчезает. Это явление называется пробуксовкой. Подъем теряется, и самолет падает.
У пчел, как и у многих других насекомых, нет неподвижных крыльев, как у самолетов. Чтобы летать, им нужно активно махать крыльями. Это позволяет им проталкиваться сквозь воздух и создавать подъемную силу. Крылья следуют по очень сложной траектории атаки. Крылья имеют сложные движения от начала до конца. Машущие крылья создают подъемную силу благодаря ряду физических явлений.
Первый из них — образование сильного вихря на передней кромке крыла. Это явление называют динамической иммобилизацией или отсутствием иммобилизации. При движении вверх и вниз крыло находится под очень большим углом атаки. Угол атаки — это угол между направлением вектора скорости потока, набегающего на объект, и характерным продольным направлением, выбранным объектом. Например, в случае крыла самолета это строка крыла. Для самолетов это продольная ось конструкции, а для снарядов или ракет — их ось симметрии.
В результате на передней кромке крыла образуется вихрь, разделяющий воздушный поток. Во время полета вихри остаются в одном и том же положении из-за характеристик потока. Благодаря разнице давлений создается большой подъем. Без вихря не было бы подъемной силы.
Второй эффект связан с вращением крыльев насекомого. При вращении крыльев вихревая составляющая передней кромки увеличивается, что приводит к увеличению подъемной силы. Изменяя точку поворота крыла, можно изменять подъемную силу каждого закрылка крыла.
Диаграмма, показывающая различные аэродинамические характеристики крыла при адвекции, симметрии и замедлении. Черные линии представляют крыло, а точки — края атаки. Красные стрелки указывают величину и направление сил. Эти данные были собраны с помощью модели крыла машущего робота. (Dickinson, Lehman & Sain, 1999)
А как насчет других летающих насекомых?
Усовершенствованные механизмы полета встречаются не только у медоносных пчел, но и у других насекомых и птиц. Многие виды обладают уникальными приемами для увеличения подъемной силы при оптимизации затрат энергии на выполнение взмаха. Широколистные бабочки в полете сбрасывают свои отчетливые вихревые кольца. У этих насекомых кольцевая цепочка турбины сначала раскрывается в верхней части биения крыла при увеличении скорости полета. Это достигается путем сильного удара крылом по позвоночнику, затем по нижней части.
В результате во время самого быстрого миграционного полета и при взлете крыло мотылька выбрасывает назад отчетливое спиральное кольцо. Когда он ударяется о верхнюю часть крыла, кольцо отскакивает назад, и мотылек устремляется вперед. В самой нижней точке взмаха мотылек ударяет крыльями и бросает вниз кольцо, которое он получает в результате этого толчка вверх. И, наконец, у насекомых с высокой частотой взмахов, сбрасывание небольших отдельных колец становится основным методом генерации полезных аэродинамических сил.
У многих насекомых взмах вверх приводит к короткому всплеску силы, поскольку обратное ускорение воздуха расширяет уже образовавшиеся кольца. Важную роль играют также специальные движения крыльев, такие как удары выше или ниже биения крыльев.
Шмели используют почти такой же механизм полета, как и медоносные пчелы. И они летают без проблем. Проблема описания механизмов полета этих насекомых возникла именно из-за сложных траекторий их крыльев. Медоносные пчелы машут крыльями примерно 230 раз в секунду. Пчелы машут крыльями 300 раз, в некоторых случаях 400 раз. Насекомые способны летать не только благодаря своей скорости, но и благодаря тому, что аэродинамическое крыло с шириной хода создает гораздо большую подъемную силу, чем неподвижное крыло.
Проблема «пчелы не могут летать» возникла из-за непонимания законов аэродинамики, применимых к движущимся крыльям, и игнорирования некоторых принципов механики вязкой среды и газовой динамики.
