Кинематика комариного полета оказалась уникальной

Британские ученые показали, что меньшая зависимость от вихря передней кромки, чрезвычайно высокая частота взмаха и короткий ход крыла отличают кинематику полета комаров от других летающих животных.

5 961
Выбор редакции

Кинематика комариного полета оказалась уникальной

Кинематика комариного полета оказалась уникальной

Понимание того, как разные животные перемещаются в пространстве, важно для широкого круга научных дисциплин. Так, изучение насекомых может помочь ученым в создании миниатюрных роботов-разведчиков, способных на такие виды полета, как, например, зависание. Тем не менее, из-за их небольшого размера и методологических ограничений кинематика полета насекомых во многом остается неясной. Одним из наиболее примечательных, с точки зрения аэродинамики, считается полет комаров. Известно, что эти членистоногие обладают более высокой частотой и низкой амплитудой взмаха крыльев, чем любые другие животные. Однако все детали их кинематики до сих пор не описывались на языке математики и не подтверждались in vivo.

 

Чтобы устранить этот пробел, исследователи из Лондонского и Оксфордского университетов использовали комаров Culex quinquefasciatus. В эксперименте насекомых помещали в прозрачный ящик с аэрозолем из оливкового масла, в центр которого были направлены 180-миллиметровые макрообъективы восьми камер. Во время съемки со скоростью 10 000 кадров в секунду и временем экспозиции пять микросекунд камеры находились напротив инфракрасного коллиматора, который упорядочивал пучки световых лучей диаметром по 25 миллиметров. Это позволило наблюдать точные перемещения воздушных потоков вокруг крыльев и сопоставить данные с решениями полных уравнений Навье — Стокса, которые широко применяются в гидродинамике.

 

Экспериментальная установка / ©Richard J. Bomphrey et al., Nature, 2017

Экспериментальная установка / ©Richard J. Bomphrey et al., Nature, 2017

 

Всего авторы получили 425 отдельных взмахов и 15 их последовательностей, доступных для моделирования. Анализ показал, что в момент взлета C. quinquefasciatus меньше полагаются на вихрь передней и больше — на вихрь задней кромки крыла. Обычно подъемная сила летающих насекомых и животных (птиц, летучих мышей) обеспечивается тем, что при нисходящем движении крыла у его передней кромки образуется вихрь, который, перемещаясь к задней кромке, создает под крылом область низкого давления. Затем этот поток воздуха «отделяется» от задней кромки, не участвуя в дальнейшем наборе высоты, — аналогичную схему используют самолеты и вертолеты.

 

Однако у комаров, по словам авторов, угол вращения крыла составил всего 39 ± 4 градуса, что вдвое меньше минимального показателя, необходимого для поддержания их массы в воздухе таким способом. Вместо этого для подъема животные совершают основаниями крыльев «подметательные» движения: короткое вниз и резкое вверх. Благодаря небольшой амплитуде и высокой частоте (717 ± 59 герц) подобных взмахов вихрь, который перемещается к задней кромке крыла, не «отделяется», но частично возвращается к верхней поверхности крыла, создавая область низкого давления. В результате в каждый момент времени часть крыла C. quinquefasciatus участвует в наборе высоты.

 

Статья опубликована в журнале Nature.

 

Уникальными летными характеристиками среди животных обладают не только комары. Ранее стало известно, что летучие мыши могут развивать рекордную скорость горизонтального полета, а стрижи — непрерывно находиться в воздухе почти год.

 

Распределение потоков воздуха вокруг крыльев комара / ©NPG Press

Наука

Naked Science Facebook VK Twitter
5 961

Комментарии
Вчера
Возможно я ошибаюсь, но мелатонин отвечает за качество...
Аватар пользователя Илья Аксенов
Вчера
Наш энергетический мир колеблется и от частоты,...
Аватар пользователя Михаил Климовицкий
Вчера
Замечательная статья по астрофизике. Я прочитал как...
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку