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.

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.