Летучие мыши слишком массивны для того, чтобы размах их крыльев позволял им летать так же, как птицам. Загадка их полета уже продолжительное время волновала ученых. Как оказалось, рукокрылые освоили непростой аэродинамический трюк и обрели возможность медленного полета, который, как предполагалось ранее, был доступен лишь насекомым. Острый передний край перепончатого крыла разрезает воздух при полете таким образом, что над крылом создается воздушный вихрь, который обеспечивает примерно 40% подъемной силы, создаваемой взмахами.
Как говорит автор исследования Андерс Хеденстрём из университета города Лунд в Швеции, непростая геометрия взмаха крыла летучей мыши позволяет объяснить, наконец, каким образом этим существам удается летать с низкой скоростью. Работа учёных опубликована в последнем номере Science.
Прежде такой эффект воздушного вихря уже был показан для полета шмеля, который по своим аэродинамическим характеристикам способностью к полету не должен бы обладать вовсе. Тем не менее отрыв от земли дается ему без труда, и помогает в этом именно формирование вихрей. В то же время ученые не могли ожидать, что кто-то, кроме насекомых — сравнительно легких и обладающих огромной скоростью взмахов крыльев, — сможет повторить такой трюк.
Чтобы доказать нетривиальность полета летучей мыши, Хеденстрём заснял на пленку зверька, который питался нектаром, заботливо размещенным шведским естествоиспытателем в аэродинамической трубе. Ученый заполнил трубу дымом и освещал сцену короткими импульсами лазера в те моменты, когда животное зависало в воздухе и интенсивно махало крыльями. Такой стробоскоп позволил запечатлеть отдельные вихри взбитого взмахами дыма, которые и помогли в итоге Хеденстрёму понять, каким образом происходит движение воздуха в окрестности крыла летучей мыши.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"click": "on",
"incutNum": 2,
"picsrc": "Линии тока, наложенные на карты ротора (слева) и дивергенции (справа) поля скоростей воздуха в разные стадии взмаха крыла летучей мыши. //sciencemag.org",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2653152_i_2"
}
Кстати, стробоскопический метод изучения механизма полета уже позволил ученым показать, что летучие мыши летают вовсе не так, как пернатые птицы, однако был недостаточно совершенен и не позволил выявить ключевого момента формирования воздушного завихрения.
В своем новом эксперименте команда шведских исследователей нацелилась именно на область воздушного пространства над крылом летучей мыши.
Как оказалось, в первой фазе взмаха крыла его движение происходит в равной степени в направлении полета (вперед) и вниз, при этом передняя кромка крыла оказывается наклонена под острым углом к направлению движения. Для насекомых была прежде продемонстрирована точно такая же аэродинамика полета.
В результате над крылом образуется достаточно мощный воздушный вихрь, который перемещается вплотную к крылу на протяжении всей первой половины взмаха, пока крыло опускается вниз. Для того чтобы сохранить короткую дистанцию между воздушным завихрением, мышь совершает очень тонкие движения крылом во время взмаха, каким-то трудно уловимым способом изменяя кривизну своего крыла.
В итоге подъемная сила взмаха увеличивается почти вдвое.
В комментарии к работе шведов голландский ученый Йон Вильдер отметил, что идея использования животными воздушных вихрей для полета обсуждалась довольно давно и была обоснована при помощи различных математических моделей не только для насекомых и летучих мышей, но и для некоторых птиц, в частности, стрижей. Тем не менее Вильдер рад появлению первой работы, которая сумела показать механизм «вихревого полета» на примере живого существа. Вильдер также не забыл подчеркнуть, что медленный полет и порхание – куда более сложная техническая задача для животных и использование кривизны крыла для формирования вихревых потоков является неоспоримым преимуществом перед традиционным полетом, осуществляемым исключительно за свет частоты взмахов.
История о том, что согласно аэродинамическим расчетам полет шмелей невозможен началась ос того, что рядом математичеких моделей было проведены оценочные расчеты, базируюшиеся на габаритах шмеля, его массе и размахе крыльев. Однако, как оказалось, даже детальные модели полета насекомых, очень ограничены в своих возможностях. В результате для экспериментального изучения аэродинамики полета шмеля группа уеных под руководством Личань Жен из университета Циньгуа была создана система лазеров, точно измеряющая ключевой параметр полета любого насекомого - «вектор тела» (body vector).
Статья ученых вышла в свет в 2001 году в журнале Measurement Science & Tecnology.
История о том, что шмели не должны летать, возникла вследствие пренебрежения в оценочном расчете свойствами крыльев: их сложным профилем и гибкостью. Крылья шмеля изгибаются, создавая вихри, являющиеся источником подъемной силы, как при взмахах, так и при опускании крыльев. Полный анализ полета шмеля включает множество факторов: угол атаки крыла, его деформацию, действующие на крыло аэродинамические силы и т. д. Все эти параметры выражаются в терминах «вектора тела», т. е. точного положения и ориентации тела насекомого.
Существующие методы измерения «вектора тела» насекомых в свободном полете предполагают, что крылья работают симметрично, что случается лишь при прямолинейном полете насекомого. Для более точного измерения этого параметра китайские ученые разработали технику, позволяющую расчет более сложного криволинейного полета.
На верхнюю часть тела шмеля между крыльев была наклеена тонкая стеклянная полоска весом не более 0,8 мг, после чего насекомое было помещено в маленькую прозрачную коробочку, освещенную сверху массивом из 49 лазеров, где могло «свободно» летать. Во время полета шмеля лазерные лучи, отраженные от стеклышка на его спине, отражались на подвешенный над камерой трапециоидальный экран. Положение шмеля отслеживалось двумя синхронизированными камерами, расположенными соответственно над коробкой и рядом с ней сбоку. Это в конечном итоге позволило группе исследователей рассчитать углы отражения лазерного луча и «вектор тела».
С помощью новой методики группа Жен обнаружила, что «вектор тела» шмеля заметно изменялся даже во время полета в их маленькой экспериментальной камере. Этот эксперимент позволил не только объяснить почему и как летают шмели, но и создать более совершенные модели расчета параметров полета насекомых.
Практическая важность данных работ также очевидна — в дальнейшем они могут привести к созданию небольших автономных летательных аппаратов-роботов, способных зависать в воздухе. Однако для начала придётся разобраться в тех самых тонких движениях, которые совершает летучая мышь, чтобы удержать вихрь на поверхности крыла. «Газета.Ru» будет следить за тем, принесет ли пользу этот очередной опыт копирования человеком достижений природы.
