какую скорость развивает шмель
Скорость полета шмеля и его маленькие совершенные крылья
Шмель относится к отряду перепончатокрылых насекомых. Семейство пчелы настоящие. К роду Bombus принадлежит около 300 видов. Обитают они по всей Земле. Даже в холодных широтах: живут в Гренландии, на Новой Земле, на Чукотском полуострове. Согреваются работой грудных мышц, при этом жужжат. Есть горные виды. У экватора представителей рода меньше. Не так давно эти насекомые завезены в Австралию. Сами дальних перелетов не совершают. Представители рода Bombus считаются выносливыми насекомыми, однако скорость полета шмеля невелика.
Тяжелое насекомое
Шмель – насекомое не столь обычное. В отличие от остальных перепончатокрылых, да и всех летающих насекомых, имеет более грузное тело. При этом крылья представителей рода земляных пчел относительно малы. Этот факт привел в начале ХХ века к заблуждению среди людей, разбирающихся в аэродинамике: шмели по законам физики не должны летать. А все потому, что люди смотрели на полет лишь со своей узкой точки зрения. В начале ХХ века развивалось авиастроение. Самолеты имеют несущую поверхность – крылья, большие по площади для удержания на воздушных массах. Но воздушные машины ими не машут. Шмель поднимается в воздух и удерживается на весу за счет разности давления воздуха, которую обеспечивает движение его крылышек.
Работа крыльев
Шмель имеет их две пары. Работает синхронно. Крылья описывают овал. При этом шмель еще и поворачивает их под разным углом к поверхности земли. В полете он захватывает струи воздуха, успевает кратковременно парить в них и снова захватывать, совершая круговые движения.
Полет во вращающихся воздушных потоках
Ученые выяснили, что величина турбулентности особо не влияет на качество, скорость полета шмеля. Усилия, затрачиваемые при завихрениях воздуха, возрастают незначительно. Передняя часть крыльев жесткая. Шмель постоянно (около 300 раз в секунду) забирает крыльями новую порцию воздуха. Такая скорость создает свою турбулентность, необходимую для полета. Кроме того, насекомое использует созданную турбулентность при поворотах или смене высоты.
Аппарат будущего
Жесткая передняя часть крыльев сочетается с гибкой задней. Это тоже необходимо для отличного полета. В XXI веке полет насекомых продолжают изучать специалисты разных областей. Люди стремятся спроектировать летательный аппарат с качествами полета шмеля. Это был бы новый прорыв в авиастроении. Новому аппарату не мешала бы турбулентность воздуха.
Скорости полета шмеля препятствуют лишь встречные потоки воздуха. Насекомое летает и в ненастную погоду. Это радует садоводов. Шмели опыляют растения при плохих погодных условиях.
С какой скоростью может летать шмель?
Полет разных насекомых сильно отличается по скоростям. Шмель считается относительно медлительным насекомым. Питаясь нектаром, перелетая при этом с цветка на цветок, земляная пчела не спешит. Скорость полета шмеля составляет около 1 метра в секунду. Обычно насекомое не улетает далеко от излюбленного места кормления или сбора нектара. Возвращается на приглянувшиеся цветы. Может снова и снова проверять одно и то же растение.
Максимальная скорость полета шмеля точно не известна. Зафиксировано число 5 метров в секунду. Однако пишут и о 15 м/с.
Мир насекомых не перестает удивлять и любителей природы, и профессиональных биологов, и специалистов других наук. Окраска крыльев бабочек, скорость комаров, фасеточное зрение насекомых изучаются учеными с целью воплотить новые передовые аппараты в жизнь человека. Полет шмеля также изучается уже около века. В настоящее время интерес только возрос. Аэродинамические характеристики этого насекомого удивляют и восхищают знатоков физики. Настолько гениально создала его природа.
Как летает шмель: силы природы и законы аэродинамики
Одной из самых распространённых разновидностей пчёл является шмель. Мохнатое и шумное насекомое имеет маленькие крылья в сравнении с пропорциями тела. Согласно законам аэродинамики, полёт насекомого с такими параметрами просто невозможен. Длительное время учёные проводили исследования, чтобы понять каким образом это возможно.
Строение крыльев шмеля в сравнении с самолётом
Существует целая наука – бионика, наука что объединяет технику и биологию. Она изучает различные организмы и то, что люди могут извлечь из них для себя.
Люди часто берут что-то из природы и тщательно изучают. Но шмель долгое время ученым не давал покоя, а точнее его способность летать.
Физиками установлено, что самолёт летает благодаря сложной конструкции крыла и аэродинамической поверхности. Эффективная подъёмная сила осуществляется с помощью округлой передней кромки крыла и крутой задней кромки. Мощность тяги двигателя составляет 63300 фунтов.
Аэродинамика полёта самолёта и шмеля должна быть одинаковой. Учёными доказано, что согласно законам физики, шмели не должны летать. Однако это не так.
Крупный шмель и его крылья.
Крылышки шмелей способны создать большую подъёмную силу, чем рассчитывают учёные. Если бы у самолёта были пропорции шмеля, то он не оторвался бы от земли. Насекомое можно сравнить с вертолётом, имеющим гибкие лопасти.
Проверив в отношении шмелей теорию, применимую к Боингу 747 физики установили, что размах крыльев составляет от 300 до 400 взмахов за 1 секунду. Это возможно благодаря сокращению и расслаблению мышц брюшного отдела.
Нарисованные узоры крыльев при взмахах — причина различных аэродинамических сил. Они противоречат любой математической теории. Крылышки не способны качаться как дверь на обычной петле. Верхняя часть создаёт тоненький овал. Крылья могут переворачиваться при каждом взмахе, направляя верхнюю часть вверх при взмахе вниз.
Частота взмаха больших шмелей не менее 200 раз в секунду. Максимальная скорость полёта достигает 5 метров в секунду, что равно 18 км в час.
Разгадка тайны полёта шмелей
Для разгадки тайны физикам пришлось сконструировать модели крылышек шмелей в увеличенном варианте. В результате этого учёным Дикинсоном были установлены основные механизмы полёта насекомого. Они состоят из замедленного срыва воздушного потока, захвата струи спутной, вращательного кругового движения.
Крыло рассекает воздух, что приводит к замедленному срыву воздушного потока. Чтобы оставаться в полёте, шмелю необходим вихрь. Вихри — вращающиеся потоки вещества, схожие со стекающей водой в раковине.
При движении крыла, имеющего небольшой угол, воздух рассекается в передней части крыла. Затем происходит плавный переход в 2 потока, находящихся вдоль нижней и верхней поверхности крыла. Скорость верхнего потока больше. Это производит подъёмную силу.
Благодаря первому этапу замедления увеличивается подъёмная сила. Этому способствует короткий поток — вихрь передней кромки крыла. Вследствие этого образуется низкое давление, что приводит к увеличению подъёмной силы.
Таким образом, установлено, что шмель летает в огромном количестве вихрей. Каждый из них окружают воздушные потоки и маленькие вихри, созданные взмахами крыльев. Кроме этого крылышки образуют временную мощную силу, которая появляется в конце и в начале каждого взмаха.
Заключение
В природе есть множество загадок. Способность к полётам у шмелей — феномен, исследованный многими учёными. Это можно назвать чудом природы. Маленькие крылышки создают такие мощные вихри и импульсы, что насекомые летают с большой скоростью.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать /наука, история, политика, творчество/
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.
Так 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!
Наука в мире животных: как и почему летают пчелы и шмели
В 2007 году появился фильм «Bee Movie», посвященный насекомым. Фильм неплох, но в нем прозвучало мнение, что пчелы, согласно принципам авиации, не должны летать, но летают. Это мнение быстро распространилось, и его принялись повторять на все лады журналисты, популяризаторы науки и обычные люди. Справедливости ради стоит заметить, что заблуждение о невозможности полета пчел и шмелей существовало задолго до фильма — где-то с начала XX века.
Проблема в том, что пчелы, шмели и другие летающие насекомые — вовсе не самолеты. Конечно, если рассчитывать подъемную силу крыльев пчелы при помощи математического аппарата авиастроения, то вывод будет, как и в фильме — пчелы и шмели не должны летать. Их небольшие крылышки просто не разовьют подъемную силу, достаточную для того, чтобы насекомое поднялось в воздух. На самом деле все гораздо сложнее и интереснее одновременно.
Взмахи крылышками и динамическое сваливание
У обычных самолетов крылья имеют достаточно жесткую конструкцию, они закреплены на корпусе самолета и составляют с ним единое целое. У них есть определенная степень гибкости, но с точки зрения аэродинамики существенного эффекта она не оказывает. Именно благодаря неподвижности крылья самолета обеспечивают значительную подъемную силу, которой достаточно для того, чтобы аппарат тяжелее воздуха оторвался от поверхности и летел.
У крыльев самолета — специфический аэродинамический профиль. Если увеличить угол наклона крыла по отношению к воздушному потоку, крыло создаст бОльшую подъемную силу. Но если угол будет слишком большим, то подъемная сила исчезнет, этот эффект называется сваливанием. Исчезни подъемная сила — и самолеты попадают.
У пчел, как и многих других насекомых, нет неподвижных крыльев, как у самолета. Для того, чтобы лететь, им нужно активно махать крыльями — это позволяет как бы оттолкнуться от воздуха и создать подъемную силу. Крылья в процессе взмаха совершают невероятно сложную траекторию движения. Крыло выполняет сложные движения на всем пути от начальной точки до конечной. Машущее крыло создает подъемную силу благодаря целому ряду физических явлений.
Первое из них — образование сильного завихрения на передней кромке крыла. Это явление называется динамическим сваливанием или же отсутствием сваливания (dynamic stall, absence of stall). Крыло находится под очень большим углом атаки при движении вверх и вниз. Угол атаки — угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у крыла самолёта это будет хорда крыла, у самолёта — продольная строительная ось, у снаряда или ракеты — их ось симметрии.
В итоге воздушный поток разделяется с образованием завихрения у передней кромки крыла. В процессе полета завихрение остается на том же месте благодаря особенностям потока. Создается большая подъемная сила — благодаря разнице давлений. Если бы завихрение не возникало, то и подъемной силы бы не было.
Второе — эффекты благодаря вращению крыльев насекомого. При вращении крыла увеличивается завихрение на передней кромке, соответственно, растет и подъемная сила. Изменяя точку вращения крыла, можно менять и подъемную силу при каждом взмахе.
Диаграмма, показывающая разницу в аэродинамических характеристиках крыльев в режимах опережающего, симметричного и замедленного вращения. Черные линии представляют крыло, а точка показывает переднюю кромку. Красные стрелки показывают величину и направление сил. Эти данные были собраны с помощью модели машущего крыла робота. (Дикинсон, Lehmann & Sane, 1999)
А что там у других летающих насекомых?
Сложные механизмы полета наблюдаются не только у пчел, но и у других насекомых и птиц. У многих видов есть собственная техника увеличения подъемной силы с одновременной оптимизацией затрат энергии на выполнение взмаха. Ширококрылые бабочки в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полета цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха, 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 и 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.
У многих насекомых при взмахе вверх возникает кратковременный импульс силы за счет расширения ранее образовавшегося кольца с ускорением воздуха назад. Важнейшую роль играют и особые движения крыльев, включая хлопок в верхней или нижней точке взмаха.
Шмели используют примерно тот же механизм полета, что и пчелы. И они тоже летают без всяких проблем. Проблема с объяснением механизма полета этих насекомых возникла именно из-за сложной траектории крыльев. Пчела совершает около 230 взмахов крыла в секунду, шмель — 300, в некоторых случаях — 400. Благодаря скорости, а также тому, что аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко зафиксированное крыло, насекомые и летают.
Ну а проблема с «невозможностью полета пчелы» возникли из-за неверной трактовки законов аэродинамики в применении к движущимся крыльям, причем без учета ряда принципов механики вязкой среды и газовой динамики.
В начале XX века считалось, что шмель по законам физики не может летать. Что не так с этим утверждением?
«По законам физики шмель летать не должен, но он об этом не знает и всё равно летает», – такая шутка бытует на просторах Интернета. Откуда она берёт начало, и почему на самом деле у мохнатого насекомого с полётом нет никаких проблем, «Диалогу» рассказал сотрудник кафедры энтомологии биологического факультета МГУ имени Ломоносова Олег Беляев.
фото: Илья Снопченко / ИА «Диалог»
Заблуждение о полёте шмеля, по словам Олега Беляева, появилось из-за крылышек насекомого: казалось, будто они слишком коротки для массивного тела и не способны удерживать его в воздухе. Одним из тех, кто обратил на это внимание, был энтомолог из Франции Антуан Маньян. Чтобы проверить такое умозаключение, учёный в 1934 году решил рассчитать характеристики пчелиного полёта (шмели также относятся к пчёлам, так как входят в семейство настоящих пчёл — ИА «Диалог»). В работе он ориентировался на наработки математика Андре Сент-Лагю.
Происходило это на раннем этапе развития авиастроения и аэродинамики – раздела физики, который рассматривает движение тел в воздушной среде. Полёт тогда изучали главным образом на моделях с неподвижными крыльями. А чтобы анализировать и моделировать более сложные формы – к примеру, полёт шмелей с машущими крыльями – в распоряжении у учёных не было ни высокоскоростных видеокамер, ни развитой микроробототехники.
Поэтому Андре Сент-Лагю использовал в своих вычислениях известные на тот момент принципы стационарной аэродинамики, которые применяли к неподвижным крыльям и не подходили для машущих. Расчёты исследователя показали, что у пчёл (а стало быть, и шмелей) – при их размерах тела – действительно создаётся недостаточная подъёмная сила для планирующего (как у самолёта) полёта.
фото: Илья Снопченко / ИА «Диалог»
Истина же оказалась в том, что законы физики не мешают шмелям летать. Просто принципы полёта насекомых и летательных аппаратов существенно различаются.
Так, самолёты держатся в воздухе за счёт разного давления над крыльями и под ними. Его создаёт несимметричная форма конструкции (снизу ровная, а сверху выпуклая) и угол, под которым она находится в полёте (угол атаки). Во время движения крыло разделяет воздушный поток на две части. При этом скорость верхнего увеличивается в несколько раз по сравнению с нижним: ведь за то же время по выпуклой стороне воздух должен пройти больший отрезок пути. Как итог: давление на самолёт сверху снижается, а вот снизу воздух давит на него гораздо сильнее, что и не даёт технике упасть.
«В отличие от летательных аппаратов, у шмелей и большинства других насекомых крылья представляют собой тонкие эластичные пластинки, встроенные в каркас из прочных и гибких жилок», – сообщает Олег Беляев. Их движение, отмечает энтомолог, циклично и состоит, как правило, из взмаха вверх, взмаха вниз и двух разворотов.
Во время полёта шмелиные крылья взаимодействуют с воздушными вихрями, которые сами же и создают. Это играет существенную роль в создании аэродинамических сил. При взмахе насекомое изменяет угол атаки крыльев так, чтобы удержать на их поверхности прикреплённый вихрь. Благодаря этому увеличивается разница давления воздушных потоков около крыльев и возрастает подъёмная сила шмеля. Во время разворота крыльев прикреплённый вихрь сбрасывается, что даёт насекомому дополнительный импульс.
фото: Илья Снопченко / ИА «Диалог»
По словам Олега Беляева, частота взмахов у грузных шмелей высока: достигает 200 и более раз в секунду. И хотя на первый взгляд эти пчёлы кажутся неторопливыми, в полёте они развивают приличную скорость.
«Стоит потревожить шмеля, как он вдруг делает вираж и стрелой уносится куда-то прочь. Вспомните, каким проворным был князь Гвидон, обращённый в шмеля: как слуги и стража тщетно пытались поймать юркое насекомое. Николай Римский-Корсаков посвятил этой сцене отдельную быструю интермедию «Полёт шмеля» в своей опере «Сказка о царе Салтане». Известно, что у шмелей фиксировали скорость полёта до 5 метров в секунду, или 18 километров в час», – заключает энтомолог.
Узнать больше о шмелях и других пчёлах можно в книге Тора Хэнсона «Жужжащие: Естественная история пчёл», которая недавно вышла на русском языке в переводе Олега Беляева.
Подготовила Вероника Бабкина / ИА «Диалог»