Політ джмеля - спроба спростування міфу

З точки зору законів аеродинаміки джміль літати не повинен, но він цього не знає і продовжує літати. © Невідомий
"Леді й джентльмени, будь ласка, займіть свої місця, і пристебніть ремені безпеки. Ми злітаємо,"- приємним голосом оголошує стюардеса через систему внутрішнього зв'язку. Двигун літака починає гудіти. Ви відчуваєте легкий поштовх, і літак починає їхати по злітно-посадковій смузі. Ви схвильовано хапаєтеся за своє сидіння в нервовому передчутті небувалого відчуття, яке ви збираєтеся випробувати. Несучись по злітній смузі, літак швидко набирає швидкість. Коли літак відривається від землі, ваш шлунок важчає, і ви відчуваєте неприємні відчуття. Земля стає все меншою і меншою, і ви пливете над нею в білому морі хмар. Вам знайоме все це? Ймовірно, все вищесказане нагадує вам про ваше перше перебування на борту літака, хіба що ці спогади затьмарені вашої схильністю до морської хвороби або жахливою боязню польотів. Ви коли-небудь замислювалися, завдяки чому літак може літати? Фізики та інженери розбираються в цьому дуже добре. Вони вивчали складну конструкцію аеродинамічної поверхні і крила. Округла передня кромка крила і крута задня кромка, рухомі тягою двигуна потужністю понад 63300 фунтів, забезпечують ефективну підйомну силу для літака. А тепер уявіть, що літак позбавлений якого-небудь двигуна, за допомогою якого він може заводитися і летіти. Як би в такому випадку літак міг би літати? Літак, у якого відсутні двигуни, сам по собі літати не може. Все це підводить нас до теми нашої статті, а саме до розповіді про джмелів. Теоретично, як кажуть вчені, джміль не може літати і має залишатися на землі, так само як і гігантський авіалайнер без двигуна. Зважаючи на той факт, що основне рівняння, яке лежить в основі аеродинаміки польоту, має бути однаковим як для літаючих комах, так і для літаків, просто неможливо пояснити, як джмелям вдається літати. Крила джмеля створюють більше підйомної сили, ніж передбачають вчені за допомогою традиційного аеродинамічного аналізу. Зворотно-поступальний рух крил робить аеродинаміку польоту комах неймовірно нестійкою і складною для аналізу. Джмелі - це волохаті і галасливі бджоли, розміром від ½ до 1 дюйма. Крила джмеля дуже маленькі по відношенню до тіла. Літак, побудований з дотриманням таких же пропорцій, як у джмеля, ніколи б не відірвався від землі. Але джмелі не схожі на літаки. Вони скоріше схожі на вертольоти з гнучкими лопастями. Рухома аеродинамічна поверхня генерує більше підйомної сили, ніж жорстке і зафіксоване крило. Однак страус, який може створити рухливу аеродинамічну поверхню, так ніколи і не відірветься від землі. Таким чином, вчені перебували в дуже скрутному становищі щодо того, яким же чином джмелі піднімаються в повітря. Фізики-теоретики використовували по відношенню до джмелів теорії, застосовні для польоту Боїнга 747, і визначили, що вони не повинні літати. Однак це зовсім не "доводить" того, що джмелі не можуть літати; це просто означає, що фізики використовують невірне рівняння. Іварс Петерсон (Ivars Peterson) спробував захистити вчених, стверджуючи: "Проблема насправді полягає не в тому, що вчені не праві, а в тому, що існує значна різниця між предметом і математичною моделлю цього предмета". Це на вигляд невизначене твердження є наслідком наступної вагомої причини: "Певна математична модель не може описати механізм польоту джмеля і абсолютно не підходить для даної мети" (1997). У польоті джмеля і справді немає нічого простого. Взагалі, політ комах вже довгі роки є загадкою для вчених. Французький ентомолог Ентоні Маґнан (Antoine Magnan) писав у своїй книзі про цю проблему ще в 1934 році. У ній він посилається на підрахунки, зроблені інженером Андре Сейнт-Лаґ (André Sainte-Lague). Його висновки грунтувалися на наступному: "максимально можлива підйомна сила, що генерується крилами літального апарату таких же маленьких розмірів, як і крила джмеля, і з таким же повільним рухом, як рух бджоли під час польоту, була б набагато менше маси самої бджоли" (Dickinson, 2001). Починаючи з 1934 року, інженери почали застосовувати теорію аеродинаміки для конструювання таких літаків, як Боїнг 747 і розвідувальні винищувачі. Ці літаки мають достатньо складну будову, і, незважаючи на це, їх функціонування засноване на стаціонарних принципах. Джмелі порушують цей принцип, тому що вони обертають і махають своїми крилами зі швидкістю від 300 до 400 помахів в секунду - це майже в десять разів більше, ніж швидкість генерування сигналів нервової системою! Джміль досягає такої високої швидкості махання крилами просто за допомогою скорочення і розслаблення м'язів свого черевного відділу. Більше того, зміни візерунків, які малюються в повітрі крилом джмеля при змаху, є причиною виникнення абсолютно відмінних аеродинамічних сил, які призводять в замішання усілякі математичні теорії. Крила джмеля не обертаються подібно дверям на звичайних петлях. Навпаки, верхня частина кожного крила описує тонкий овал під великим кутом. Також, крила "перевертаються" під час кожного помаху: верхня частина крила спрямована вгору під час помаху вниз, і повертається вниз під час руху вгору. Фахівець, що вивчає механіку тварин, Чарлі Еллінґтон (Charlie Ellington) з Кембриджського Університету в Англії, здавалося, розгадав таємницю польоту комах. Він виявив, що вихровий потік, що переміщається уздовж передньої кромки крила комахи, виробляє додатковий підйом. Дослідники Майкл Дікінсон (Michael Dickinson) і Джеймс Беч (James Birch), з Каліфорнійського університету в Берклі (Berkeley), отримали протилежні дані. У науковому журналі Nature вони поділилися результатами своїх досліджень щодо додаткової аеродинамічної підйомної сили, яка утворюється у джмелів. Вони побудували вельми масштабну модель мухи дрозофіли, і спостерігали за її польотом в резервуарі, заповненому мінеральним маслом. За допомогою дрібної моделі дрозофіли вони відтворили політ цієї мухи в повітрі - менш щільному середовищі. Професор Дікінсон стверджує: "Грунтуючись на проведених експериментах, ми зробили висновок, що припущення Еллінґтона не може пояснити явище приєднання вихору, яке відбувається під час помаху крила" (Macphee, 2001). Проте, зроблені Еллінґтоном висновки підштовхнули вчених до пошуку рівняння для "нестаціонарного функціонування", яке могло б пояснити механізм раніше обговорюваних помахів крил. Розподіл швидкостей і тисків всередині рідини відбувається згідно відомих рівнянь Нав'є-Стокса (Navier-Stokes), які були сформульовані на початку дев'ятнадцятого століття. Дані, отримані Еллінгтоном, показали, що політ джмеля не можна пояснити тільки лише за допомогою рівнянь Нав'є-Стокса. Рухи крил джмеля занадто складні, щоб можна було сформулювати рівняння, яке б точно описувало аеродинаміку польоту джмеля. Намагаючись розгадати таємниці польоту комах, вчені сконструювали моделі крил джмеля у збільшеному масштабі. Застосування цих моделей дало плідні результати, з'єднавши при цьому дві основні сили в рідині - силу тиску, вироблену інерцією рідини, поперечну силу, викликану в'язкістю рідини. Професор Дікінсон повідомив про нові дані, які він отримав в 2001 році. Ці дані грунтувалися на теорії Еллінґтона, які раніше Дікінсон намагався спростувати. У своєму дослідженні, опублікованому в Scientific American ("Пояснення загадки польоту комах" - “Solving the Mystery of Insect Flight”), Дікінсон стверджує, що в польоті джмеля беруть участь три основних механізми: уповільнений зрив повітряного потоку, захоплення сліду струменя і обертальний круговий рух. Уповільнений зрив повітряного потоку відбувається тоді, коли крило літака розсікає повітря під занадто крутим кутом. Вихори, утворені літаками, зазвичай залишають позаду сильну турбулентність в струмені гвинта літака. Однак щоб залишатися в польоті, комахам просто необхідні ці вихори. Вихор - це обертовий потік речовини, схожий на стікаючу воду в умивальнику. Коли рух крила відбувається під невеликим кутом, повітря розбивається на передній частині крила і плавно переходить в два потоки, які протікають вздовж верхньої і нижньої поверхонь крила. Верхній потік рухається швидше, в результаті чого тиск над крилом більш низький. Саме це і тягне крило вгору, виробляючи підйомну силу. Перший етап уповільнення спочатку збільшує підйомну силу внаслідок виникнення короткого потоку, який називається вихором передньої кромки крила. Цей вид вихору утворюється безпосередньо над і за передньою кромкою крила. Потік повітря у вихорі рухається неймовірно швидко, і отриманий таким чином низький тиск істотно збільшує підйомну силу. Дані Дікінсона, схоже, узгоджуються з експериментальними даними, які були отримані фізиком Джейн Венґом (Jane Wang) з університету Корнелла. Він писав: Старий міф про джмелів відображає наше недостатнє розуміння динаміки нестійкого в'язкого середовища. На відміну від створених літаків з нерухомим крилом, із стійкою динамікою, в майже нев'язкому (позбавленому в'язкості) середовищі, комахи літають в море вихорів. Крім того, ці вихори оточені маленькими вихорами і повітряними потоками, як
0 views
Borys
p: 73 | c: 137 | f: 36
Hello world!
Для просмотра комментариев выполните вход на сайт