Наука в мире животных: как и почему летают пчелы и шмели

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.

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.