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.

    Selectel
    IT-инфраструктура для бизнеса

    Comments 12

      0

      аэрошмель — так я назвал свой первый коптер. он тоже не мог летать по всем законам. но — летал. Спасибо за статью, интересно, 400 взмахов в секунду очень быстро — 24000 в минуту, удивительно на что способна природа.

        +1
        Там про создание таких частот взмахов мышечной-«скелетной» структурой можно еще не одну статью написать…

        По сути природа сделала самые оптимальные решения для данных размеров ЛА. Но человечеству там делать нечего — нам на одного человека нужна установка на несколько порядков большего размера и там уже немногого другие законы работают. Так что сравнивать шмеля с самолетом — был крайне некорректный шаг.

        Вот с крупными птицами самолеты можно сравнивать — и от крупных птиц люди кое-чему таки научились в своей авиации (винглеты например).
        +36

        Нет, все дело в числе Рейнольдсе — отношении размера крыла к скорости воздушного потока (если упрощенно). Для насекомых воздух выглядит и действует почти как вода. Вот никого же не удивляет, что люди могут "летать" под водой, загребая ладонями? Представьте, что сейчас кто-нибудь заявил бы, что люди не могут под водой плавать (летать), потому что площади их ладоней недостаточно для создания подъемной силы, чтобы отталкиваться. Что им для этого надо развить скорость под водой 1500 км/час. Потому что посчитали эту силу, когда человек машет ладонями в воздухе.


        Абсолютно такая же ситуация и с насекомыми с этим мифом про "не могут". Авторы этого мема использовали для крыльев насекомых формулы самолетной аэродинамики для большого числа Рейнольдса. Но для насекомых (для их сверхмалого числа Рейнольдса) воздух по своим аэродинамическим характеристикам больше напоминает жидкость, а не воздух. Поэтому они прекрасно в нем летают. Самые маленькие легкие мошки, фактически, плавают, а не летают. Ну а у тех, что покрупнее, нечто среднее.


        Однако это сверхмалое число Рейнольдса и поведение для них воздуха как жидкости, имеет свои последствия. Как и в воде, при таких размерах образуются крупномасштабные структуры — крупные устойчивые вихри и т.д. (понаблюдайте за водой в ручье). И насекомые в процессе эволюции научились это использовать и извлекать из этого выгоду. Это и является предметом изучения полета насекомых учеными, а вовсе не тот устаревший и глупый миф про "не могут летать".


        В основном, вся идея сводится к тому, что уносящийся закрученный вихрь — это плохо. Он уносит с собой энергию, а кто потратил энергию на закручивание этого вихря? Конечно, насекомые своими мускулами! Если это не пошло на создание подъемной силы/тяги, то это плохо. В идеале хотелось бы вообще не закручивать воздух, а отклонять его вниз-назад (аналог ламинарного течения в планерах). Но увы, физика не позволяет это сделать, любой перепад давления создает закручивание потока.


        Поэтому у насекомых все сводится к тому, чтобы махать в такт наиболее характерной частоте образования таких вихрей (т.н. критерий Струхаля, у птиц, кстати, это тоже наблюдается) и использовать разницу в скорости воздушного потока на восходящей и нисходящей части вихря. Хотя понятие аэродинамического качества при таком Re весьма условное, но все же зависимость от скорости потока небольшая, но есть. И они это используют.


        А второй трюк — это прокатывать эти вихри вдоль своей поверхности крыла, гася его кинетическую энергию (она в итоге используется на увеличение подъемной силы). Благо, что такое низкое число Рейнольдса позволяет эффективно использовать углы атаки хоть 90 градусов, там самолетного срыва потока в таком виде, как у нас, практически нет. Отсюда все эти сложные траектории махов и сложное поведение потока у крыльев насекомых, которое вы можете видеть в видео. В обоих случаях это означает отбирание энергии у вихрей. Улетающие после насекомого вихри меньше по размеру, амплитуде и скорости закрутки, чем были бы в обычном режиме.


        Насколько все эти хитрости улучшают летные характеристики насекомых? На 10%, на 200%? Хороший вопрос. Раз они это используют, значит улучшают. Но исследовать это сложно, так как в симуляции это можно проверить только в ресурсоемкой CFD симуляции для такого сверхмалого числа Рейнольдса. Либо измерять натурно, как в первоисточнике. Подсвечивая поток сеткой лазеров в дыму/влажном воздухе и вычисляя потом по движущимся светящимся точкам энергию потока после насекомого/модельных крыльев и т.д. Это все очень интересная тема, но к сожалению, для нас (для нашей аэродинамики) это ничего не дает, так как у нас совсем другие числа Re. Хотя вот у дирижаблей можно применить, у них похожие Re с насекомыми. Или для подводных аппаратов (но там лучше изучать рыб).


        Ну и напоследок, любопытный исторический факт, аналогичный этому мему про "насекомые по аэродинамике не могут летать". До Отто Лилиенталя ученые тоже считали, что птицы не могут летать. А знаете, почему? Потому что в то время из аэродинамики была известна только формула скоростного потока, давящая на пластинку, стоящую перпендикулярно потоку. И по ней выходило, что птицам не хватает силы в 5-10 раз, чтобы летать. Именно Отто Лилиенталь первым обнаружил, что если держать пластинку под маленьким углом атаки (как крыло самолета), то на нем подъемная сила становится в 5-10 раз больше, чем лобовое сопротивление. Так он обнаружил существование понятия аэродинамического качества К. Для птичьих крыльев это как раз К=5-15 (зависит от удлинения, у альбатроса лучше, у воробья хуже). И именно столько "не хватало", если считать крылья как пластинки перпендикулярно потоку. В итоге, все сошлось. Создаваемая птицами подъемная сила и измеренная их мускульная мощность.

          +12

          Ух, какой длинный комментарий получился. Кому лень читать, краткая выжимка: все нормально и у насекомых, и у птиц. Такие мифы про "не могут" получаются, если применять к ним неправильные формулы. Как если посчитать, какая сила образуется на ладонях человека, когда он машет в воздухе, а потом сказать, что он по аэродинамике не может развивать ту силу, которую он развивает ладонями при плавании.

            +6
            Когда коммент (оба) интереснее статьи оказался) Спасибо!
              +1
              Абсолютно согласен. Еще и понятней.
              Когда уже людям в минусе дадут возможность голосовать за комментарии в «плюс»?
            +4
            О, спасибо за комментарий понятным языком! Особенно за сравнение с плаванием. Все сразу интуитивно понятнее становится.
            +1
            Меня в свое время сильно удивило, прогуливаясь по набережной реки наблюдал вьющихся вокруг себя мошек, достаточно неприятные создания, кусаются, хоть и мелкие, а укус потом дико чешется. Но это бы пол-беды, основная проблема в том, что дул сильный порывистый ветер (как всегда в лицо), а вот пакостным мошкам проблем это не доставляло совершенно никаких, почему-то их не сдувало.
            Интересно, что говорят законы аэродинамики по этому поводу.
              +3
              там еще закон больших чисел: мошек-то сдувает, но при той концентрации, которая мимо вас пролетает — их будет много новых и свежих, готовых подзакусить при случае (открытый участок кожи в ветровой тени).
                +3

                Замечал такое. Не удивлюсь, если окажется, что мошки летают в своих варп-пузырях

                0
                Ха, а вот вам цитатка из коммента, присланного от одного из «познавших истинную физику» полёта насекомых:
                — «У мухи вертикальный взлет. Летает она не с помощью крыльев (ими она только рулит), а при помощи жужжания. За счет жужжания микрокапли влаги, которые находятся в воздухе, — взрываются. и ее подбрасывает, поэтому движение достаточно хаотичное
                Кстати по этому принципу летают и майские жуки. У них две пары крыльев. Одними управляют, другими жужжат. Я наблюдал не раз их посадку. Подлетел к цветку одни крылья (управляющие) сложил, а другими жужжит почти до посадки. Прикольно когда ветер порывистый — зависнет, а ветром его в сторону, а жужжание уже отключено — падает, иногда и на спину.»

                Шо, съели? ))
                  +1
                  Жужжальца — видоизменённые задние или передние крылья, в полёте вибрируют в противофазе крыльям, нужны для регистрации вращения тела насекомого в процессе полета.

                Only users with full accounts can post comments. Log in, please.