Показать все

Сочленение крыла с телом

Крепление крыльев к телу и их движение

Способность к полетам выработалась у насекомых на протяжении эволюции: как известно, наиболее примитивные отряды могут передвигаться лишь при помощи , так как не имеют . Перемещение по воздуху более выгодно в плане скорости, и на него, к тому же, тратится куда меньше энергии, чем на ходьбу.

Крыло насекомых можно сравнить с двуплечим рычагом. Короткое плечо представлено его внутренней частью (основанием), которая скрыта под мембраной, а длинное располагается снаружи: собственно, эту видимую часть и принято считать крылом. На внутренней поверхности экзоскелета, сразу под местом сочленения крыла с телом, находится плотный выступ, который называют плейральным столбиком; данная структура играет роль точки опоры при взмахе . (фото)

Когда насекомое собирается расправить , оно сокращает специальные мышцы (), прикрепленные к спинке. Спинка перемешается немного вниз, надавливая на внутреннюю часть крыловой пластинки. Она, в свою очередь, упирается в плейральный столбик. При этом основание крыла опускается, а его наружная часть одновременно идет вверх. Если же необходимо опустить крыло, спинка снова поднимается, и все приходит в исходное положение.

Взаимодействие крыльев в полете

Взаимодействие крыльев во время полета

Насекомые перемещаются либо с помощью четырех (жуки, бабочки), либо с помощью двух . Обычно пара крыловых пластинок, расположенная на одной стороне тела, при расправлении образует единую летную поверхность. Исключение составляют лишь некоторые представители класса. Например, среди стрекоз есть как равнокрылые, у которых движутся одинаково, так и разнокрылые - у них каждое крыло перемещается по-своему. (видео)

Типы полета

Разделение полета на разновидности может проводиться с разных точек зрения. Например, в зависимости от его цели специалисты выделяют два основных типа:

• тривиальный (обыденный) - полет с целью добычи питания, поиска партнера для и др.
• миграционный - полет, осуществляемый для поиска новых мест обитания.

Эта градация не относится к самым удачным, так как она не отражает особенностей работы крылового аппарата насекомого в том или ином случае. Так, и саранча, и бабочки могут мигрировать на большие расстояния, однако конкретные способы, которыми они это делают, отличаются, и это надо учитывать. По этой причине самой удобной представляется функциональная классификация полета на пассивные и активные способы.

Пассивный полет

- осуществляемый без активной работы мышц, под воздействием силы тяжести, воздушных потоков или накопленной в активном полете кинетической энергии (силы инерции).

Он бывает:

Активный полет

: он возможен благодаря активным движениям . Насекомое осуществляет крыловые удары, которые и обеспечивают его перемещение вперед и вверх. Активное перемещение разделяют на две основных разновидности:

• машущий полет - осуществляемый при помощи высокоамплитудных взмахов , во время него насекомое движется относительно земли.
• стоячий (трепещущий) полет - насекомое производит мелкие движения, при этом оно висит в воздухе, но не летит вперед.

Способность к машущему полету имеют все крылатые отряды, а стоячий могут продемонстрировать лишь мухи, бабочки и некоторые другие, довольно немногочисленные насекомые. При этом во время стояния на месте кончик крыла описывает фигуру восьмерки. Если же насекомое смещается вперед, эта фигура «растягивается», и крыло «рисует» синусоиду. (видео)

Скорость и дальность полета

Казалось бы, чем легче насекомое, тем быстрее оно должно летать, но в живой природе все нередко происходит наоборот. Чем меньше размеры у летуна, тем труднее ему противиться току воздуха, и тем больше усилий надо прикладывать для перемещения. Поэтому быстрее всего летают средние и крупные мухи, бабочки и стрекозы. Жуки им в этом уступают: с увеличением размера тела Жесткокрылые становятся более тяжелыми и неповоротливыми. Так, например, бабочка бражника в полном безветрии способна перемещаться на 15 м за одну секунду (54 км/ч) 1046 раз в секунду.

Внешние условия, такие, как ветер и дождь, очень сильно влияют на возможность полета. Обычно насекомые стараются не взлетать при неблагоприятных условиях среды. Однако у некоторых существуют весьма необычные взаимоотношения с природными явлениями. Например, при скорости ветра до 0,7 м/с синие мясные мухи летают очень активно - такая интенсивность течения воздушных потоков действует на них стимулирующее. Однако, как только показатель достигнет больших величин, полет у этих Двукрылых сразу же становится крайне непопулярным занятием.

Во время расселения или миграций насекомые порой могут совершать достаточно длительные перелеты, но на это способны не все. Например, большинство мух в спокойных условиях преодолевают несколько метров, а затем присаживаются отдохнуть. Если лишить их такой возможности, они пролетят чуть больше километра, а затем устанут и упадут. Другие же достаточно сильны для того, чтобы перелетать на куда большие расстояния. Например, стрекоз видели посреди Карибского моря более, чем за 500 км от ближайшего участка суши. Если учесть, что такое насекомое обладает достаточным запасом сил, чтобы вернуться назад, оно показывает фантастические результаты выносливости.

Скорость мухи развивается до 6,4 км в час, однако, это еще не самое увлекательное. Изучением аэродинамики, траектории передвижения занимаются ведущие научные институты по всему миру. Аэродинамику сравнивают с полетом неопознанного летающего объекта. За многие годы многочисленных исследований так и не удалось до конца раскрыть секрет. Насекомое, которое водится повсеместно, каждый день раздражает человека своим присутствием, является самым важным объектом для исследования.

Аэродинамика мухи

Ученые сравнивают насекомое и его возможности с летающей тарелкой. Спокойно может зависать в воздухе, совершать рывки в разные стороны, не набирая предварительно разгона, быстро срывается с места, резко приземляется, отлично держится на горизонтальной, вертикальной поверхности. Самая важная загадка для ученых, которую еще не могли разгадать – как , а затем спокойно переворачивается во время полета.

Интересно!

Разгадав тайну аэродинамики, ученые смогут создать совершенный летательный аппарат, который станет основным военным достижением.

Траекторию полета мухи сложно вычислить. Она быстро меняет направление, летает зигзагами, вправо, влево, вниз, вверх. Быстроту, мгновенную реакцию обеспечивает , который позволяет видеть вокруг своей оси. Срывается в воздух еще до того, как человек порядочно замахнется.

Особенности полета:

1. Перемещение в разные стороны, зависание, маневренность.
2. Расположение вверх ногами.
3. Способность лететь на большие расстояния без остановки.
4. Высокая скорость перелета.

С мухой в аэродинамике, скорости не сравнится ни одно насекомое. Основная цель научных деятелей – разгадать тайну.

Скоростные достижения

Муха летает на расстояния до 3 км без остановки. Чтобы преодолеть такую дистанцию, нужны веские причины. Способствующими факторами являются , а также неблагоприятные климатические условия. К концу лета из дикой природы вредители охотно переселяются в дома человека, квартиры, хозяйственные пристройки.

Скорость полета мухи развивается до 6,4 км в час. Эта способность обеспечивает большую выживаемость в природе. Легко скрывается от врагов, находит благоприятные условия для существования, источник пищи.

Летательный аппарат чрезвычайно прост – пара прозрачных крыльев, жужжальца вместо подкрылков. Отсутствие второй пары крыльев позволяет им зависать в воздухе, легко менять траекторию, развивать скорость.

), что даёт ключ к аэродинамике насекомых в целом. О прорыве сообщили Джон Янг (John Young) из университета Нового Южного Уэльса (UNSW), и команда зоологов из Оксфорда (University of Oxford).

Учёные использовали высокоскоростные цифровые видеокамеры, чтобы заснять движение саранчи в аэродинамической трубе. Исследователи анализировали происходящую в полёте деформацию, создав на основе подробной кинематики крыла трёхмерную модель гидродинамического процесса.

Крылья насекомых, как известно, — сложные структуры, имеющие множество выпуклостей, впадин и покрытые сверх того различными прожилками и морщинками микроскопических размеров. Но до сих пор было не вполне ясно, какую роль играют все эти особенности.

Потому на втором этапе исследования учёные имели дело с саранчой уже виртуальной, последовательно удалив с её крыльев вначале мелкие детали рельефа, а затем сгладив и сам необычный изгиб крыльев. Опыт показал, что мелкие детали не вносят в картину обтекания заметных перемен, а вот сама форма крыла как раз делает полёт насекомого столь эффективным. Саранча, изменённая на компьютере, существуй она в реальности, была бы куда более энергоёмкой и медленной.

Биологические системы оптимизировались путём давления эволюции в течение миллионов лет, они предлагают много примеров результативности, которые намного превосходят всё то, чего мы можем достичь искусственно. До недавнего времени у нас не было технической возможности измерить фактическую форму крыльев насекомого в полёте – отчасти из-за скорости движения, отчасти из-за объёмности самой задачи. Но теперь этот вопрос решён».

Саранча – насекомое, чрезвычайно интересное для инженеров из-за его способности к перелёту на огромные расстояния при весьма ограниченном запасе энергии. Другой занимательный персонаж в этой области – шмель. Мохнатые насекомые порой демонстрируют

Разоблачаем! Шмель летать не должен? November 30th, 2016

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!

источники

аэродинамика полет насекомое крыло

Работа крыла реального насекомого отличается от рассмотренной схемы тем, что только вершина крыла совершает колебания относительно неподвижного основания. Кроме того, само крыло в верхней и нижней точках взмаха испытывает вращательные колебания относительно своей длинной оси. Тем не менее, когда удалось наконец визуализировать след (то есть сделать его видимым) летящего насекомого , то оказалось, что его форма почти идентична форме следа, который образуется за крылом, совершающим колебания в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку (рис. 3, б) впервые трехмерную картину аэродинамического следа за летящим насекомым средних размеров с относительно невысокой частотой крыловых взмахов (30 Гц) - для бабочки - толстоголовки (рис. 4). Какова же она? Прежде всего, след представляет собой систему попеременно наклоненных к оси вихревых колец. Через отверстия колец проходит толстая волнообразно изгибающаяся струя воздуха. Если вертикальной продольной плоскостью рассечь такой след, то получим его плоское изображение (рис. 3,б), так называемую вихревую дорожку - вокруг центральной струи в шахматном порядке располагаются вихри, вращающиеся навстречу друг другу. Изменение параметров взмаха крыльев, таких как амплитуда колебания, частота, наклон плоскости взмаха к продольной оси насекомого и направлению полета, сопровождается закономерным изменением формы аэродинамического следа .

Если судить по сравнительной простоте образования и распространенности среди многих примитивных насекомых, то наиболее примитивной и, возможно, исходной формой следа можно считать ту, которая свойственна крылу, колеблющемуся в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку (рис. 3, б). В этом случае за телом образуется цепочка из сцепленных вихревых колец, равнодействующая импульсов которых определяет создание аэродинамической силы, направленной строго вперед (рис. 5, а). Последнее обстоятельство вынуждает многих примитивных насекомых летать с большим углом возвышения, как бы приподнимая тела над горизонталью и тем самым, направляя вихревую дорожку под углом к горизонту для того, чтобы создать подъемную силу. Образование сил в данном случае, как при махе вниз, так и при махе вверх, следует трактовать с позиции квазистационарного действия крыла .

Следующий шаг в эволюции полета состоял в том, что при махе вниз, осуществляемом с большими значениями угла атаки, чем при махе вверх, крылья стали продуцировать вихревые кольца большей интенсивности и, следовательно, меньшего размера. Кольцо, сошедшее с крыльев в конце маха вниз, имеет меньший диаметр, вследствие чего ось следа отклоняется вниз, а равнодействующая импульсов колец направлена под углом вверх (рис. 5, б). Образующая за крыльями вихревая дорожка получила название косой, а природа сил, создаваемых при взмахе крыльев, в принципе такая же, что и в предыдущем случае.

У некоторых насекомых в полете за крыльями образуется вихревой след, форма которого аналогична той, которая характерна для наиболее примитивных насекомых (рис. 5 , в). Есть, однако, существенное отличие. Исследования показали, что кольцо малого диаметра, образовавшееся при махе вниз, во время подъема крыльев расширяется. Как и в предыдущем случае (рис. 5, б), в данном случае мах вниз активнее, чем вверх, но из-за того, что кольцо малого диаметра при подъеме крыльев расширяется, след принимает вид прямой вихревой дорожки. Расширяющееся кольцо придает ускорение струе воздуха, направленной косо вниз, что, по предположению компенсирует отрицательную подъемную силу, создаваемую при махе вверх. В итоге распределение сил в цикле взмаха выглядит следующим образом: подъемная сила создается при махе вниз, а тяга - в течение всего цикла взмаха. Следовательно, генерацию сил при махе вверх можно объяснить с позиций нестационарного действия крыла. Более того, при развороте крыльев в верхней точке взмаха они отталкивают ближайшее к телу кольцо, а вместе с ним и всю цепочку назад, в результате чего насекомое получает небольшой толчок вперед. Следовательно, образование сил в верхней точке взмаха можно объяснить действием механизма, близкого к реактивному.

Роль последнего возрастает у ширококрылых бабочек, которые в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полет цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха (рис. 5, г), 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 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.