Полетът на насекомите За науката
Витаещият полет на насекомите е резултат от комбинация от аеродинамични ефекти, изяснени от модел, използващ законите на подобието.
През 1934 г., в увода на книгата си Le vol des Insectes, ентомологът Антоан Манян пише: „Преди всичко, движен от това, което се прави в авиацията, аз приложих върху насекомите законите на въздушното съпротивление. Въздух и дойдох със своя асистент Андре Сент-Лагю до заключението, че полетът им е невъзможен. " Това прибързано заключение вероятно се основава на факта, че теоретичното максимално повдигане на крилата на дрона е по-ниско от теглото му.
Повдигане е силата, упражнявана върху тялото, перпендикулярно на посоката на неговото движение или на потока, в който е потопено. Този лифт обикновено се изчислява за самолетно крило: извитата форма на крилото изисква скоростта на въздушния поток над горната му част да е по-голяма, отколкото по долната част. Съгласно принципа, открит от Даниел Бернули през 18 век, увеличаването на скоростта на течността се придружава от намаляване на налягането: налягането е по-голямо под крилото, отколкото по-горе, тягата прави повдигане нагоре (виж фигура 6 ).
От 1934 г. инженерите и математиците са постигнали напредък и са придобили достатъчно знания за разработване на крилата на самолетите, необходими за превоз на стотици пътници, като тези на Airbus A380. Дизайнът на тези равнини се основава на принципа на стационарност, че въздушният поток около крилата и получените сили са стабилни във времето.
Не така стоят нещата с насекомите, чийто полет отдавна е загадка, тъй като тези животни махат и завъртат крилата си 20 до 600 пъти в секунда. Аеродинамичните сили и въздушните потоци непрекъснато се променят и усложняват анализа, математиката и експериментите.
За да разберем физиката на висящия полет на муха, ние разработихме експериментална настройка (вж. Фигура 3). В резервоар от два тона нежно бие чифт крила с ширина 60 сантиметра. Задвижвани от шест мотора, управлявани от компютър, крилата разбъркват течността и създават движение, разкрито от милиони въздушни мехурчета, инжектирани в резервоара. Цялото е осветено от лъчи лазерна светлина и е заснето от видеокамери, докато сензорите непрекъснато регистрират силите, упражнявани върху крилата.
Благодарение на механичното насекомо, което имитира движенията на крилата със скорост 1000 пъти по-бавна и в мащаб 100 пъти по-голяма, разбрахме как мухата използва вихрите, забавената срив, циркулацията на въздуха около крилата и улавянето на събуждането. Нека детайлизираме тези явления, които придават на насекомите такава лекота в полета си.
Шумолене на крила
Крилата на движещите се насекоми най-често се появяват като размазано изображение, така че полетът на насекомите не прилича на този на самолетите. Крилата на насекомото не са анимирани от просто вертикално трептене: краят на всяко крило проследява силно наклонена овална крива. Освен това крилата променят ориентацията с всеки клапан: горната повърхност на крилото е ориентирана нагоре, когато крилото е спуснато, и надолу, когато е повдигнато.
Първите опити за анализ на полет на насекоми прилагат към тези сложни движения законите на стационарната аеродинамика, законите, които обикновено се използват в аеронавтиката. Тези подходи обаче са по-малко наивни от този, който е довел до първите изчисления на полета на безпилотния самолет, тъй като те са взели предвид вариацията в скоростта на крилата във времето.
Представете си, че ние замразяваме крилото на насекомото във всяко от последователните позиции, които заема по време на ритъм, че възпроизвеждаме във вятърния тунел потока, съответстващ на всяко от неговите позиции, и че измерваме свързания с него лифт. Ако стационарната теория беше вярна, средната сила, изчислена чрез добавяне на силите, свързани с всички позиции, ще бъде насочена нагоре и равна на теглото на насекомото.
В края на 70-те години аеродинамиците се усъмниха в значимостта на този анализ, а в началото на 80-те години от наличните данни американският физик Чарлз Елингтън заключи, че стационарният подход не може да обясни участващите сили. Остават да бъдат открити нестационарните механизми на потока, които управляват ударите на крилата.
Разпределението на скоростите и наляганията във флуида се управлява от уравненията на Навие-Стокс, формулирани в началото на 1800 г. В течност с ниска плътност като въздуха сложното движение на крилото прави решаването на тези уравнения много трудно дори при най-ефективните компютри.
Обработката на данни и теорията са безсилни, можем ли да измерим директно върху насекомото аеродинамичните сили, дължащи се на ударите? Няколко отбора се заеха със задачата, но малкият размер и високата скорост на крилата затрудняваха измерванията. Освен това, на измерванията на сила, извършени върху живи насекоми, трябва да се гледа с повишено внимание, тъй като поведението на животните в плен се различава от това на свободно живеещите животни.
Красотите на приликата
За да заобиколят тези трудности, инженерите използват свойствата на подобие, благодарение на което потокът около реален обект е свързан с този около модел, който е по-лесен за обработка и проучване във вятърен тунел. Това е светът с главата надолу: докато авиационните инженери изграждат мащабни модели, тези, които изучават полети на насекоми, се нуждаят от увеличени модели.
Забавеното отпадане
През 1992 г., заедно с Карл Гьотц, от института „Макс Планк“ в Тюбинген, ние построихме модел на крило, състоящ се от „гребло“, с ширина пет сантиметра и дължина 20 сантиметра, свързано с двигатели и гмуркане в голяма вана със захарен сироп. Това увеличаване на размера и вискозитета, комбинирано с намаляване на скоростта на биене, дава на съоръжението същото число на Рейнолдс като това на крилото на мухата.