Мы в соцсетях:
ГлавнаяОбратная связьПоискО проектеРеклама на сайтеОбмен баннерамиРекомендоватьВ избранное
Чудеса.com
 
Логин:
Пароль:

Регистрация
Потеряли пароль?
Фундаментальные статьи о чудесах Чудеса Полезные материалы (книги, видео и др.) Полезное Обсуждение всего самого интересного Форум Свежие новости из мира Загадочного Новости Интересные фото Фотографии Аналитические материалы Аналитика Интернет-магазин чудесных сувенирных товаров Магазин
   

Ищем на сайте:
 

Советуем скачать:
Никола Тесла: луч смерти
Ж.-Ф. Лауэр. Загадки египетских пирамид
А. Скляров. Миф о Потопе: расчеты и реальность

Дополнительно:
Актуальные темы
Сообщество
Голосования
Гороскоп
Новое на форумеФорум в формате RSS
23.03.2017, 21:54
Кулинарные рецепты

23.03.2017, 14:53
10 привычек способных изменить жизнь к лучшему

21.03.2017, 15:10
Дефицитное лекарство из Европы

Последние новостиНовости в формате RSS
17.10.2014
Эволюция туризма

06.05.2014
Вологда и её особенности туристической привлекательности

03.03.2014
Если снится небо Лондона…

Оставьте ваше мнение:
Теория, наиболее точно отражающая происхождение человека
Эволюционная теория
Теория творения
Теория внешнего вмешательства
Теория пространственных аномалий


Результаты
Другие опросы

Всего голосов: 1403
Комментарии: 11


Реклама:
Самая актуальная информация steam ключи на нашем сайте.





Статьи

Загадки природы
Исследование аномальных явлений, странных мест на Земле, загадочных существ и других феноменов
Секрет полёта насекомых

Как летают насекомые?Управление вибрационным полётом у пчелы

Тайна полёта насекомых – в частности, шмелей, пчёл, ос, мух – до сих пор не известна академической науке. Ранние исследователи полагали, что пчела летит вперёд благодаря особым движениям крылышек, при которых кончик каждого крылышка выписывает “восьмёрку”, так что махи делаются не строго вертикально, а немного назад, причём с соответствующими доворотами плоскостей крылышек – ортогонально направлению маха. Не говоря о том, что такой “гребной” полёт весьма неэкономичен – поскольку “гребки” делаются почти перпендикулярно направлению движения – остаётся неясно, каким же образом насекомое держится в воздухе. Некоторые исследователи полагают, что дело заключается в таких поворотах плоскостей крылышек, что махи вверх совершаются практически без сопротивления, а опора на воздух обеспечивается при махах вниз. Но эта идея противоречит идее “гребного” полёта. Кроме того, на замедленном воспроизведении работы крылышек в режиме зависания пчелы, таких больших (на 90о!) выворачиваний крылышек не просматривается. Это и понятно: у пчелы нет мышц, которые могли бы выворачивать крылышки; и если всё-таки небольшие выворачивания происходят, то они имеют пассивный характер. Ничего не добившись линейными методами, исследователи теперь изучают воздушные вихри, которые возникают при работе крылышек. Но изумительные по красоте картинки этих вихрей не прибавляют понимания физики полёта – поскольку, на наш взгляд, вихри здесь являются вторичными эффектами. Таким образом, для науки остаётся загадкой не только то, каким образом пчёлы развивают в полёте невероятные скорости (легко догоняют лошадь!) и выполняют фантастические фигуры пилотажа, но даже и то, каким образом они вообще держатся в воздухе.

Между тем, принцип создания вибрационной тяги у насекомых, качественно описанный Л.Лозовским [1], поразительно прост. Этот принцип основан на том, что воздух имеет ненулевую динамическую вязкость. Крылышки насекомого, при маховых движениях вверх-вниз, испытывают аэродинамическое сопротивление, сила которого прямо пропорциональна квадрату скорости махового движения. Если махи вниз совершать немного быстрее, чем махи вверх, то усреднённая сила сопротивления будет направлена вверх – и, при равенстве весу насекомого, она будет удерживать его в воздухе.

Для иллюстрации этого изящного принципа создания “опоры на вязкую среду”, приведём ещё пару примеров. Если лодочник, в лодке на спокойной воде, будет многократно перемещаться с носа на корму шагом, а с кормы на нос бегом, то лодка будет в целом продвигаться вперёд. Поэтому с некоторых пор на соревнованиях по парусному спорту бег на борту запрещён. Ещё пример: для эффектной демонстрации т.н. инерциоидов, их кладут на залитую тонким слоем масла горизонтальную стеклянную поверхность – на которой буксует игрушечный заводной автомобильчик – и инерциоид, трепыхаясь, “продвигается при нулевом трении”. Увы: продвижение инерциоида в этих условиях основано на обеспечиваемом маховиками различии в средних скоростях болтанки вперёд-назад, что порождает асимметричное взаимодействие с вязким маслом. Можно убедиться в том, что, без такого асимметричного взаимодействия, средняя сила тяги инерциоида равна нулю – для этого нужно использовать не опору, а подвес. Несмотря на трепыхания подвешенного инерциоида, его центр тяжести будет оставаться на месте: подвес в среднем не отклонится.

Вернёмся к вибрационному полёту и, на примере пчелы, покажем, что развиваемая ей вибрационная тяга достаточна для того, чтобы удерживать её в воздухе; а также опишем, каким образом пчела управляет полётом и переключает его режимы.

Приведём выражение для силы вибрационной тяги, возникающей при условии, что длительности махов вверх и вниз немного различаются. Весьма условно крылышко можно рассматривать как тонкую пластинку, вибрирующую в вязкой среде ортогонально своей плоскости, по гармоническому закону x=Asinw t. Сила лобового сопротивления, как известно, есть

Fлоб = (1/2)Cr SV2,

где C - безразмерный коэффициент лобового сопротивления, r - плотность вязкой среды, S - эффективная площадь поперечного сечения тела, т.е., в нашем случае, площадь пластинки, V - скорость смещения пластинки в вязкой среде. Подставляя в это выражение значение скорости V=w Acosw t и усредняя на полупериоде, в течение которого пластинка смещается либо “туда”, либо “обратно”, получаем

<Fлоб> = (1/4)Cr Sw 2A2 = Cr Sp 2f2A2,

где f=w /2p - частота вибраций. Если полупериоды смещениий “туда” и “обратно” немного различаются – что даёт соответствующую разность частот D f – то для средней разностной силы, которую мы и называем силой вибрационной тяги, получаем выражение

Fвибр = D <Fлоб> = 2p 2Cr SfD fA2.

Покажем, что при значениях параметров, характерных для работающих крылышек пчелы, сила вибрационной тяги вполне способна удерживать насекомое в воздухе, если длительность махов вниз на 15% короче длительности махов вверх, т.е. если D f/f=0.15.

Пчела весит около 0.1 г, поэтому сила, удерживающая её в воздухе, должна составлять около 10-3 Н. Частота вибраций крылышек пчелы изменяется от 200 до 250 Гц. Эффективная площадь одного крылышка составляет около 3× 10-5 м2, так что S=6× 10-5 м2; половинный размах вибраций есть A=5× 10-3 м. Коэффициент лобового сопротивления C определяют эмпирически; он зависит от числа Рейнольдса. К сожалению, нам не удалось разыскать в литературе эту зависимость для случая тонкой пластинки. Поэтому воспользуемся аналогичной зависимостью для случая сферы [2] и учтём, что, при прочих равных условиях, лобовое сопротивление тонкой пластинки больше лобового сопротивления сферы примерно в десять раз [3]. При плотности воздуха r =1.3 кг/м3 и его динамической вязкости 1.82× 10-5 Па× с [3], характерное для работающих крылышек пчелы число Рейнольдса, соответствующее средней скорости взмаха, составляет » 103. При этом, для случая сферы C» 0.4 [2], и, значит, для нашего случая C» 4. Используя названные значения параметров, получаем, что, при различии длительностей махов вверх и вниз на 15%, вибрационная тяга на частоте 200 Гц составляет 0.92× 10-3 Н, а на частоте 250 Гц – 1.44× 10-3 Н. Требуемое значение 10-3 Н попадает в полученный интервал – и, значит, вибрационная тяга должна удерживать пчелу в воздухе при подходящем выборе частоты вибраций. Кстати, в дополнение к вышеописанному механизму создания вибрационной тяги через асимметрию лобовых сопротивлений, существует еще один механизм – через асимметрию инерциальных сопротивлений т.н. присоединённой массы вязкой среды [2]. Но, в рассматриваемом случае, присоединённая масса воздуха, увлекаемая крылышком, ничтожна, так что главный вклад в создание вибрационной тяги должен давать именно вышеописанный механизм.

Следует оговорить, что приведённый расчёт основан, конечно, на довольно-таки грубых приближениях – за неимением лучшего. Но, надо полагать, что и уточнённые расчёты не отвергнут вывод о способности насекомого держаться в воздухе на вибрационной тяге, причём – при относительно небольшом различии в длительностях махов вверх и вниз, которое не бросается в глаза на замедленном воспроизведении работы крылышек. Уточнённые расчёты, как можно ожидать, подтвердят и вывод о том, что достаточную для полёта вибрационную тягу способны развивать лишь миниатюрные летуны, каковыми являются насекомые: даже при своём сверхмалом весе им приходится использовать частоты вибраций крылышек в сотни герц!

Выбирая необходимую частоту этих вибраций, пчела либо набирает высоту, либо “висит” на одной высоте, либо снижается. Но ещё следует объяснить, каким образом осуществляются горизонтальный полёт и горизонтальные манёвры.

Обратим внимание: центр тяжести пчелы находится в передней части брюшка (кстати, там же расположен медовый зобик – “аналог” бензобака). Места же прикрепления крылышек находятся в средней части груди, т.е. они существенно вынесены вперёд относительно положения центра тяжести. Устойчивая ориентация корпуса в полете, по отношению к плоскости горизонта, достигается при такой геометрии, когда три точки – два эффективных центра вибрационной опоры на воздух и расположенный ниже центр тяжести – находятся в вертикальной плоскости. Такая геометрия была бы невозможна, если пчела работала бы крылышками, отведёнными от корпуса на прямой угол. Но ситуация выправляется при меньших углах отведения. Более того, существует целый диапазон углов отведения вибрирующих крылышек от корпуса, с соответствующим ему диапазоном углов устойчивой ориентации корпуса по отношению к плоскости горизонта.

На наш взгляд, именно устанавливая необходимый угол отведения вибрирующих крылышек, т.е. устанавливая необходимую “стреловидность”, пчела либо летит назад, либо зависает на месте, либо летит вперёд, причём с меньшей или с большей скоростью. Секрет в том, что, помимо удерживания пчелы в воздухе, вибрирующие крылышки делают ещё нечто. Имея великолепно подобранную гибкость в направлении от крепления к кончику, вибрирующее крылышко “отмахивает” воздух в этом направлении – подобно кончикам маховых перьев у птиц [4]. Факт отбрасывания воздуха вибрирующими крылышками тонко демонстрируется для “наблюдателя”, в сантиметре от щеки которого медленно пролетает комар. Выходит, что вибрирующие крылышки создают пару реактивных сил, которые действуют совместно с силой вибрационной тяги; различные режимы полёта получаются при различных векторах равнодействующей этой тройки сил.

Так, для полёта назад пчела максимально отводит вибрирующие крылышки от корпуса. При этом равнодействующая пары реактивных сил становится весьма мала; а устойчивым положением корпуса оказывается такое, при котором брюшко проваливается, а голова приподнимается, так что вектор вибрационной тяги отклоняется от вертикали назад – горизонтальная компонента этого вектора и обеспечивает нужное перемещение. Соответственно, зависание на месте и полёт вперёд, со всё большей скоростью, получаются при всё большем приведении вибрирующих крылышек к корпусу – в результате ориентация корпуса всё больше приближается к горизонтальной, а направленная вперёд равнодействующая пары реактивных сил всё увеличивается. То есть, при полёте вперёд, вибрационная тяга удерживает пчелу в воздухе, а перемещение происходит благодаря паре реактивных сил.

Чтобы всё происходило именно так, пчела должна иметь, помимо мышц, обеспечивающих махи крылышками вверх и вниз, ещё и мышцы, обеспечивающие требуемый угол отведения. По логике строения двигательного аппарата пчелы, эта задача решается с помощью так называемых продольных мышц груди. Приведение крылышек происходит пассивно, за счёт упругого сочленения с корпусом, и, при полном расслаблении продольных мышц груди, крылышки сложены вдоль корпуса. Чем сильнее напряжены эти мышцы, тем сильнее сокращена грудь, и тем сильнее отведены крылышки.

Почти мгновенно напрягая продольные мышцы груди, быстро летящая пчела переключает вектор горизонтальной тяги и выполняет весьма эффективное торможение в воздухе. Но главный секрет этих мышц заключается в том, что их неспроста две, по числу крылышек – для независимого друг от друга управления их углами отведения. По логике вышеизложенного, именно неравные углы отведения правого и левого крылышек обеспечивают пчеле изменения направления горизонтального полёта. Так, если в полёте правое крылышко отведено сильнее, чем левое, то равнодействующая пары реактивных сил, соответственно, повёрнута влево. Если вспомнить, что точка приложения этой равнодействующей вынесена вперёд по отношению к центру тяжести, то становится ясно, что в описанном полётном случае будет происходить левый поворот. Увеличивая угол отведения только правого или только левого крылышка, пчела выполняет свои фантастические левые или правые виражи – да ещё при этом автоматически притормаживает!

Следует добавить, что пчёлы владеют ещё одним воздушным манёвром: боковым перемещением. На первый взгляд, такое перемещение возможно при различии частот вибраций левого и правого крылышек, что давало бы разность между “правой” и “левой” реактивными силами. Но нет: взмахи выполняются всегда синхронно, т.е. с одинаковой частотой – иначе возникла бы разность сил вибрационной тяги от правого и левого крылышек, и появился бы соответствующий опрокидывающий момент сил. А боковое перемещение, на наш взгляд, осуществляется следующим образом. Пчела изгибает брюшко в ту сторону, в которую надо сместиться, и равновесие по крену нарушается. Брюшко перевешивает и накреняет пчелу, так что вектор вибрационной тяги отклоняется вбок. Как и полёт назад, полёт вбок у пчелы совершается лишь с небольшой скоростью, поскольку при этом используется не главный движитель.

В заключение отметим, что некоторые из вышеупомянутых эффектов, сопровождающих тот или иной режим полёта пчелы, заметны невооружённым глазом, без ускоренной видеосъёмки. Так, при быстром полёте пчелы вперёд, её корпус действительно держится горизонтально, а при полёте назад, действительно, голова приподнята, а брюшко провалено. При “раскачивающихся” перемещениях вправо-влево – как при первом вылете из улья – пчела действительно “болтает” брюшком.

Трудно не восхититься тем, как дивно согласованы технические решения в полётном аппарате пчелы, а также тем, как виртуозно этот аппарат используется!

Литература:

1. Л.Лозовский. Движители в живой природе. http://ll-propulsive.narod.ru Статья “Вибролёт”.

2. Г.Биркгоф. Гидродинамика. “Изд-во иностранной литературы”, М., 1963.

3. Х.Кухлинг. Справочник по физике. “Мир”, М., 1982.

4. А.А.Гришаев, А.А.Гришаев (старший). Секрет машущего полёта птиц.

 

Схлопывающий полёт стрекозы

 Стрекозы, особенно крупные, по праву считаются асами лётного мастерства среди насекомых. Но принципы полёта стрекоз до сих пор остаются загадкой для науки. Ясно, что выдающиеся лётные качества стрекоз каким-то образом связаны с характерной особенностью их полётного аппарата: с наличием двух пар крыльев – практически одинаково развитых и независимо управляемых.

Имея две пары крыльев, стрекозы, как мы полагаем, держатся в воздухе тем же способом, что и многие двукрылые насекомые – создавая вертикальную вибрационную тягу [1]. Напомним, что эта тяга образуется, если махи крыльями вниз совершаются несколько быстрее, чем махи вверх. При этом усреднённая сила сопротивления воздуха, имеющего ненулевую динамическую вязкость, направлена вверх. Элементарные расчёты показывают: для того, чтобы держаться в воздухе пчеле, махи её крылышек вниз должны совершаться всего на 15% быстрее, чем махи вверх [2]. Но, спрашивается: ради каких особых преимуществ, по сравнению с двукрылыми насекомыми, у стрекоз настолько усложнён полётный аппарат, и, соответственно, усложнено управление им? На наш взгляд, эти усложнения вполне оправданы, поскольку полётный аппарат стрекоз обеспечивает поразительный – как по замыслу, так и по эффективности – способ передвижения в воздухе.

Пониманию принципа работы движителя стрекозы препятствует предрассудок о том, что если уж стрекоза имеет переднюю и заднюю пары крыльев, то и махать ими она должна соответственно: передними несколько спереди, а задними несколько сзади. Но обратите внимание: между сочленениями передних и задних крыльев с корпусом расстояние гораздо меньше, чем ширина самих крыльев, и поэтому, даже при больших разведениях передних и задних крыльев друг от друга, они непременно должны “чиркать” друг по другу на встречных махах. Такая компоновка крыльев выглядит более чем странной, если не знать секрета полёта стрекозы. Секрет в том, что стрекоза в полёте отнюдь не разводит передние и задние крылья друг от друга, а, наоборот, она – если смотреть на неё сверху или снизу – максимально совмещает контуры передних и задних крыльев, которые для этого почти идеально согласованы. Таким образом, говоря о положении крыльев стрекозы в полёте, правильнее различать крылья не передние и задние, а нижние и верхние. Один цикл работы левой и правой пар крыльев при полёте вперёд заключается в том, что нижние и верхние крылья расходятся и, сходясь, хлопают друг по другу.

Чтобы понять, каким образом такое хлопанье порождает движущую силу, следует иметь в виду, что плоскости сходящихся верхних и нижних крыльев не являются параллельными. Крылья, имея великолепно подобранную гибкость в направлениях от передних кромок к задним, из-за сопротивления воздуха пассивно изгибаются так, что их задние кромки отстают в своём движении от передних. В результате верхнее и нижнее крылья создают нечто вроде схлопывающегося клина, из которого выбрасывается назад плоская “кумулятивная” струя воздуха. Отбрасывая, при каждом схлопывании, воздух назад, правая и левая пары крыльев создают реактивные силы, которые толкают стрекозу вперёд. Теперь становится ясно, что странная компоновка крыльев стрекозы является, в действительности, оптимальной для обеспечения схлопывающего полёта: если сочленения с корпусом у схлопывающихся крыльев были бы разнесены не по горизонтали, а по вертикали, то формирование схлопывающегося клина было бы затруднено.

Проиллюстрируем эффективность схлопывающего полёта сделаем необходимые оценки для примера крупной стрекозы дозорщика. Выражение для реактивной силы в данном случае имеет вид Fреакт=mfv, где m - масса воздуха, отбрасываемая при одном ударе сходящихся крыльев, f - частота ударов крыльями, v - скорость, с которой отбрасывается воздух. Для нахождения скорости полёта V, следует приравнять реактивную силу и силу лобового сопротивления, которая есть Fлоб=(1/2)Cr SV2, где C - безразмерный коэффициент лобового сопротивления [3,4], r - плотность воздуха, S - эффективная фронтальная площадь стрекозы, главный вклад в которую обусловлен не головой, а пассивно выворачиваемыми крыльями. Приравнивая Fреакт и Fлоб, получаем для скорости полёта выражение

.

Приведём необходимые значения параметров. Частота ударов крыльями у стрекоз достигает 100 Гц; возьмём случай f=70 Гц. Скорости взмахов много меньше скорости звука, поэтому в данном случае воздух можно считать несжимаемой средой. Тогда масса воздуха m, отбрасываемая при одном схлопывании, приблизительно равна произведению плотности воздуха r =1.3 кг/м3 на объём схлопывающегося клина. При длине одного крыла у дозорщика, равной 5 см, эффективную площадку крыла можно считать прямоугольником 4x1.5 см2; пусть угол схлопывающегося клина составляет 2a =30о. При этом масса воздуха, отбрасываемая за один раз обеими парами крыльев, составляет около 6× 10-6 кг. Под скоростью v отбрасываемого воздуха будем понимать скорость его вытеснения из схлопывающегося клина, которая равна вертикальной скорости удара крыла 2p fA (где A» 1.5 см – амплитуда взмаха верхнего или нижнего крыла), делённой на tga , т.е. на tg15о; при этом v» 25 м/с. При C» 0.2 и S» 6 см2, искомая скорость полёта, с учётом вышеназванных значений параметров, составляет V» 42 км/ч.

Хотя эта цифра получена при целом ряде довольно-таки грубых приближений, она вполне адекватно отражает тот факт, что стрекоза дозорщик в воздухе явно превосходит по скорости насекомых, на которых она охотится.

Впрочем, для удачной охоты, стрекозе нужно ещё и не уступать своим жертвам в манёвренности. И, опять же, две пары крыльев не только позволяют стрекозе отработать практически любой манёвр жертвы, но и дают ей возможность выполнять в воздухе трюки, непосильные для двукрылых насекомых – например, повороты на месте или быстрые боковые перемещения. Кратко опишем, как выполняются эти трюки.

Для зависания на месте стрекозе требуется работать верхними и нижними крыльями, не допуская их схлопываний. При этом каждое из четырёх крыльев, совершая махи вниз немного быстрее, чем махи вверх, даёт вклад в вибрационную тягу, которая удерживает стрекозу в воздухе. Кстати, крылья стрекозы имеют гибкость не только в передне-задних направлениях, но и в направлениях от оснований к кончикам. Это помогает стрекозе устанавливать оптимальный зазор между рабочими зонами верхних и нижних крыльев в режиме зависания: при оптимальном зазоре верхние и нижние крылья, сходясь, соударяются только своими кончиками, что сопровождается характерным звуком. Так, у зависшего на месте дозорщика жёсткий шелест, из-за периодических соударений кончиков верхних и нижних крыльев, выражен гораздо сильнее, чем мягкий звук “ф-ф-ф…”, с которым крылья гонят воздух. Причём, воздух гонится как раз благодаря изгибам крыльев в направлениях от оснований к кончикам воздух отбрасывается этими изгибами подобно тому, как он отбрасывается кончиками маховых перьев птиц [5]. Поскольку рабочее положение крыльев стрекозы ортогонально корпусу, то воздух отбрасывается вправо и влево от корпуса, что, соответственно, порождает пару реактивных сил. По сравнению с силами тяги вперёд при схлопывающем полёте, силы боковой тяги при зависании, конечно, слабее. Но, произведя их разбаланс, стрекоза выполняет довольно-таки резкое боковое перемещение. Так, для перемещения влево, амплитуды махов у правой пары крыльев следует немного увеличить, а у левой – немного уменьшить. При этом, конечно, появится ещё и разность вибрационных сил, создаваемых левыми и правыми крыльями, и возникнет момент сил, опрокидывающий стрекозу влево. Но у неё имеется возможность нейтрализовать этот момент сил, изогнув вправо брюшко – которое словно нарочно удлинено для эффективного устранения, описанным способом, нарушений равновесия по крену. Добавим, что для стрекозы не является проблемой и поворот в воздухе на месте. Так, чтобы развернуться на месте вправо, стрекоза раз в несколько циклов слегка схлопывает левую пару крыльев, которая при этом отбрасывает какое-то количество воздуха назад – и стрекоза, из-за отдачи, поворачивается на небольшой угол вправо. Хорошо заметно, что разворот на месте у стрекозы происходит не плавно: он представляет собой последовательность малых скачкообразных поворотов.

Далее, кратко остановимся на одной известной особенности строения крыла стрекозы – специфическом утолщении передней кромки, находящемся где-то на двух третях длины крыла, если считать от основания. Полагают, что это приспособление является утяжелением передней кромки крыла и предназначено для борьбы с флаттером. В авиации флаттером называют изгибные колебания жёстких крыльев; амплитуда этих колебаний, при достаточно большой скорости полёта, может возрасти настолько, что крылья разрушатся. Здесь, действительно, утяжеление передних кромок крыльев позволяет увеличить значение критической скорости полёта, при превышении которой возможны разрушения. Но представляет ли флаттер угрозу для гибких крыльев насекомых? Ведь здесь изгибные деформации являются не вредным фактором, а, наоборот, полезным эффектом! Надо ли насекомым бороться с флаттером, если на флаттере основан их полёт? И не изумляет ли теоретиков тот факт, что меры против флаттераприняты только у четверокрылых насекомых даже у самых малых, но использующих схлопывающий полёт а двукрылым насекомым, практикующим даже гораздо более динамичные режимы полёта, флаттер, якобы, не страшен? Разгадка, на наш взгляд, в том, что вышеупомянутые утолщения передних кромок крыльев стрекоз предназначены отнюдь не для борьбы с флаттером: они, по-видимому, являются амортизаторами которые, после схлопывания верхних и нижних крыльев, облегчают стрекозе их разведение. Такие амортизаторы стрекозе не помешали бы, поскольку опасность слипания верхних и нижних крыльев действительно существует.

В заключение отметим, что следует с осторожностью использовать поговорку летает, как стрекоза” – поскольку, кроме самих стрекоз, никто так не летает. Появились сообщения о разработках миниатюрных роботов-стрекоз, у которых, для создания подъёмной силы, плоскости крыльев при махах вверх и вниз должны соответствующим образом принудительно поворачиваться. Возможно, такой энтомоптер будет держаться в воздухе и даже будет перемещаться, но его полёт будет иметь мало общего с полётом насекомых. И, конечно, лётные качества и энергетические характеристики полёта такого энтомоптера будут несопоставимо хуже, чем у насекомых которые используют вибрационную тягу и схлопывающий полёт.

Литература:

1. Л.Лозовский. Движители в живой природе. http://ll-propulsive.narod.ru Статья “Вибролёт”.

2. А.А.Гришаев. Управление вибрационным полётом у пчелы.

3. Г.Биркгоф. Гидродинамика. “Изд-во иностранной литературы”, М., 1963.

4. Х.Кухлинг. Справочник по физике. “Мир”, М., 1982.

5. А.А.Гришаев, А.А.Гришаев (старший). Секрет машущего полёта птиц.

 

Электродинамический полёт бабочки

 Бабочки изумляют нас не только великолепием раскраски крыльев, но и своим полётом, который выглядит непостижимым чудом с точки зрения аэродинамики. В самом деле, дневные бабочки средней полосы России машут крыльями с рекордно низкой для насекомых частотой – всего в единицы герц – а, значит, их не может удерживать в воздухе вибрационная тяга [1]. Кроме того, при махах своими двумя парами крыльев, бабочки не изменяют их “угол атаки”. И тогда совершенно непонятно, какие же аэродинамические силы могут удерживать бабочек в воздухе.

Более того, имеются свидетельства о том, что при полёте бабочки аэродинамические силы играют далеко не главную роль. Так, при замедленном воспроизведении порхающего полёта бабочки, бросается в глаза несоответствие между её порханиями и теми аэродинамическими импульсами, которые должны сообщать ей машущие движения крыльев. Глядя на эти странные “ужимки и прыжки”, трудно отделаться от впечатления, что кто-то дёргает бабочку за невидимые ниточки.

Какие же таинственные силы проявляются таким образом? Подозрение, прежде всего, падает на силы электродинамические. Кстати, имеются косвенные, но вполне убедительные указания на то, что при полёте бабочек электрические явления имеют место.

Так, в ходе некоторых экспериментов Николы Теслы по беспроволочной передаче электрической энергии на частотах в несколько десятков килогерц, в прилегающей к передающей башне местности наблюдались феерические световые эффекты: коронировали верхушки деревьев и шпилей, выступающие части строений, головы и поднятые руки людей на улицах… И – по многочисленным свидетельствам – нормальный полёт бабочек был нарушен, причём они прямо-таки “полыхали” в воздухе. Спрашивается: каким же образом могли “полыхать” бабочки, не имевшие контакта с землёй? Ведь ясно, что, для поддержания свечения при электрическом разряде, требуется приток всё новых и новых порций электричества. Неудивительно, что у летящих птиц “полыхания” никто не заметил. В случае же с бабочками нам следует допустить, что они в полёте периодически производят достаточно сильную само-электризацию – и в условиях, когда облегчается разряд, периодические разряды с бабочки могут порождать то самое “полыхание”.

К счастью, за разгадкой механизма электризации у бабочек не нужно далеко ходить. Этих насекомых не зря называют чешуекрылыми: верхние поверхности их крыльев не гладкие, а “мохнатые” – покрытые волосками и чешуйками, которые образованы, практически, такими же волосками, только сросшимися и имеющими общую утолщённую ножку, которая крепится к крылу. При достаточно сильном увеличении заметно, что каждый волосок – как отдельный, так и входящий в состав чешуйки – представляет собой своеобразную “свирель”, а именно, микротрубочку с рядом боковых отверстий. Напрашивается вывод о том, что эти невероятные ухищрения в конструкции, обеспечивающие необычайно развитую диэлектрическую поверхность крыльев, предназначены для эффективной электризации крыльев при их трении о воздух в процессе выполнения взмахов.

Эту электризацию бабочка использует, в общих чертах, следующим образом. Движения её крыльев в полёте представляют собой последовательность более или менее разделённых во времени рабочих циклов. Один такой цикл – это мах крыльями, находившимися в верхних положениях, вниз (но обычно не ниже корпуса: работа крыльями идёт в верхних квадрантах), и немедленный возвратный мах вверх. При махе крыльями вниз бабочка, отталкиваясь от воздуха, приобретает некоторый импульс вверх. Кроме того, происходит электризация трением крыльев о воздух: бабочка накапливает статический отрицательный заряд, а в воздухе, обдувающем верхнюю поверхность крыльев, создаются положительные ионы. Значит, возникает электрическое притяжение бабочки к облачку этих ионов, т.е. возникает дополнительная подъёмная сила. Возможен вопрос: каким образом ионы, созданные бабочкой, могут подтягивать её вверх? Почему бы этим ионам самим не притянуться к бабочке и не осесть на неё, нейтрализуя созданное разделение зарядов? Дело в том, что эти ионы находятся не в вакууме, а в воздухе, и их подвижность ограничена: в течение некоторого характерного времени ионы оказываются как бы “вмороженными” в воздух. Более того, при возвратном махе крыльями вверх бабочка, продолжая создавать ионы, ещё и выдавливает наэлектризованный воздух из области между крыльями – в основном, наверх. Это действие имеет большой смысл. Дело в том, что сила притяжения бабочки к облачку ионов зависит от электрической ёмкости системы “бабочка-облачко”. В общем случае, эта сила равна энергии электрического взаимодействия в этой системе, делённой на характерный пространственный размер. Когда облачко ионов находится над крыльями, расположенными горизонтально, и систему “бабочка-облачко” можно весьма условно рассматривать как плоский конденсатор, для силы электрического притяжения бабочки к облачку можно записать F=CU2/2d, где C - ёмкость системы, U - разность потенциалов между крыльями и облачком, d - характерный промежуток между крыльями и облачком. Подставляя в эту формулу универсальную связь между разностью потенциалов, ёмкостью и величиной Q разделённых зарядов (U=Q/C), для силы притяжения получаем: F=Q2/2Cd. Отсюда видно, что чем меньше ёмкость системы, тем, при прочих равных условиях, требуется меньшее количество разделённых зарядов для создания той же самой электрической силы. Теперь заметим, что ёмкость системы в случае, когда облачко ионов находится над крыльями, поднятыми вверх, значительно меньше, чем в случае, когда облачко ионов находится над крыльями, расположенными горизонтально. Точный расчёт этого различия ёмкостей весьма сложен. Но если допустить, что оно составляет хотя бы два порядка, то, для “подвешивания” себя в воздухе при поднятых крыльях, бабочке требовалось бы создать на порядок меньшее число ионов по сравнению со случаем, когда крылья расположены горизонтально.

Сделаем оценку числа N однократно заряженных ионов, требуемого для “подвешивания” бабочки с горизонтальным положением крыльев. Используя выражение для ёмкости плоского конденсатора, мы получаем, что N~ (2e 0Smg/e2)1/2, где e 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, S - эффективная площадь крыльев, m - масса бабочки, g - ускорение свободного падения, e - элементарный электрический заряд. При m=0.3 г и S=5× 10-4 м2, требуемое число ионов есть ~ 1010. Соответственно, в наиболее выгодном для “подвешивания” положении с поднятыми крыльями, требуемое число ионов на порядок меньше и составляет ~ 109. Правдоподобна ли эта цифра? С одной стороны, число 109 на шесть порядков больше естественного числа ионов обоих знаков в 1 см3 атмосферного воздуха при стандартных условиях и спокойной электрической обстановке [2]. Но, с другой стороны, число 109 на десять (!) порядков меньше числа нейтральных атомов и молекул в том же кубическом сантиметре воздуха – т.е. степень ионизации воздуха, которую требуется производить бабочке, оказывается ничтожной. Поэтому вышеописанный механизм электрического “подвешивания” бабочки представляется нам совершенно реалистичным.

Следует иметь в виду, что такое “подвешивание”, возникающее в результате одного взмаха крыльями вниз-вверх, длится, в лучшем случае, десятые доли секунды – во-первых, из-за деградации облачка положительных ионов в результате его расширения и процессов рекомбинации, а, во-вторых, из-за стока отрицательных зарядов с бабочки. Поразительно, но обычно сток зарядов с бабочки организован таким образом, чтобы при этом возникали электрические силы, которые толкали бы бабочку вперёд! В самом деле: корпус бабочки обычно покрыт длинными и довольно-таки жёсткими волосками, которые не торчат абы как, а загнуты назад таким образом, что их острые кончики находятся позади корпуса. Ясно, что именно через эти острые кончики происходит наиболее интенсивный сток избыточного электричества с бабочки. Причём, электрическое отталкивание между теми зарядами, которые успели стечь, и теми избыточными зарядами, которые стечь не успели, толкает бабочку вперёд. Подобный электростоковый движитель легко моделируется в лаборатории – например, S-образной вертушкой с заострёнными концами, которая приводится во вращение при стоке электричества с этих концов [3].

Таким образом, бабочка в полёте представляет собой миниатюрную и высоко-эффективную электрическую машину, при рабочем цикле которой возникают электрические силы, подтягивающие её вверх и подталкивающие её вперёд. При частоте ударов крыльями в несколько герц, электродинамический полёт бабочки является, конечно, неровным – порхающим. Впрочем, некоторые ночные бабочки, например, совки и бражники, имеют, по сравнению с вышеописанным случаем, меньшее отношение площади крыльев к собственной массе, но зато они машут крыльями с частотой 30-40 Гц. В результате их полёт, с применением электродинамических сил, оказывается настолько ровным, что бражник, например, без особого труда зависает рядом с ночными цветками, в которые он запускает свой гибкий хоботок, чтобы пить нектар.

Вернёмся к бабочкам с “низкочастотным” электродинамическим полётом и кратко остановимся на вопросе о том, каким образом они поворачивают в полёте вправо-влево. С учётом вышеизложенного, мы не усматриваем возможности для того, чтобы бабочка выполняла эти повороты с помощью электрических сил. Зато у бабочки имеется возможность использовать для этих целей аэродинамические силы, и, по-видимому, эта возможность обусловлена наличием задней пары крыльев. Для того, чтобы лететь прямо, бабочка синхронно работает передними и задними крыльями. Но задние крылья могут работать и независимо от передних. И, при поднятых вверх крыльях, из-за взмахов правым задним крылом происходил бы занос задней части корпуса влево, а из-за взмахов левым задним крылом – вправо.

Но, конечно, главную роль при полёте бабочки играют всё-таки электродинамические силы, для порождения которых крылья и покрыты чешуйками. Крылья насекомых, не снабжённые чешуйками – даже если они трутся о воздух при больших частотах взмахов – не производят ощутимой ионизации воздуха, в отличие от крыльев бабочек. Вот почему на экранах радиолокаторов стаи бабочек в полёте хорошо заметны, а, скажем, гораздо более мощные тучи из комаров – совсем не заметны. Кстати, размеры чешуек на крыльях бабочек микроскопические; и, с точки зрения аэродинамики, практически безразлично, покрыты крылья чешуйками или нет. То есть, утрата бабочкой чешуек не сказалась бы заметным образом на аэродинамических свойствах крыльев. Между тем, при утрате даже относительно небольшой части чешуек бабочка теряет способность к полёту. И теперь это понятно: электрическая подъёмная сила пропорциональна квадрату числа создаваемых ионов; и если, например, из-за потери части чешуек число создаваемых ионов уменьшится вдвое, то электрическая подъёмная сила уменьшится при этом вчетверо.

Итак, имеется множество указаний на то, что полёт бабочек основан, главным образом, на электродинамических силах. Похоже, нет аналогов способу передвижения в воздухе, которым владеют эти поразительные создания!

Литература:

1. А.А.Гришаев. Управление вибрационным полётом у пчелы.

2. П.Н.Тверской. Атмосферное электричество. Л., “Гидрометеоиздат”, 1949.

3. Р.В.Поль. Введение в учение об электричестве. М.-Л., “Государственное технико-теоретическое изд-во”, 1933.

Источник: http://newfiz.narod.ru, А. А. Гришаев


Поделиться статьей в социальных сетях:



Дата публикации: 03.03.2014
Прочитано: 4828 раз

Популярные статьи схожей тематики:
Башня ДьяволаБашня Дьявола
Атака невидимокАтака невидимок
Возвращение целакантаВозвращение целаканта
Бермудский треугольникБермудский треугольник
Волосы ангелаВолосы ангела
Говорящий кот МэсиГоворящий кот Мэси
Марианская впадинаМарианская впадина
Вечная молодостьВечная молодость
ЧупакабраЧупакабра
Древние материкиДревние материки
[ Назад | Начало | Наверх ]


Семь чудес светаСемь чудес света
Висячие сады Семирамиды
Пирамида Хеопса
Александрийский маяк
Колосс Родосский
Храм Артемиды
Загадки природыЗагадки природы
Башня Дьявола
Атака невидимок
Возвращение целаканта
Бермудский треугольник
Волосы ангела
Загадки человекаЗагадки человека
Авиация древних?
Вечный двигатель
Библейский код
Антарктида = Атлантида?
Коллекция Джульсруда
Тайны ВселеннойТайны Вселенной
Загадка скорости света
Высадка на Луну
Парадоксы Вселенной
Зона 51
Антивещество
Чудеса Новости Форум Фото Полезное Магазин Обратная связь Ссылки
Яндекс цитирования Рейтинг SunHome.ru Рейтинг Эзотерических ресурсов Linq.RU - Обмен ссылками
Чудеса.com «Чудеса» © 2003-2015. Создатель сайта и автор идеи - Максим Волченков.
Powered by SLAED CMS © 2005-2008 SLAED. All rights reserved.
Права на материалы
принадлежат их авторам.
Старая версия сайта >>