Как летает птица? Летучая мышь Животные освоившие активный машущий полет.
План реферата :
План реферата:
1) С древнейших времён..
2) Конструкции Леонардо Да Винчи
3) История развития
4) О модели махолёта Федотова
Введение:
С давних времен люди, мечтая подняться в небо и увидеть землю с высоты птичьего полета, завидовали пернатым созданиям, летающим под облаками.
Существуют различные легенды о полетах. Одной из таких мифических историй является сказание о Дедале и Икаре.
Одним из наиболее ранних свидетельств того, что люди пытались подняться в воздух на искусственных крыльях, является китайская рукопись «Цяньханьшу» («история ранней династии хань»)
Ещё в 4-3 веке до нашей эры в Китае был изобретен летательный аппарат с неподвижным крылом, названный воздушным змеем. Он удерживался в воздухе при помощи ветра и натянутой нити. Точно назвать имя его изобретателя не может ни один историк авиации, однако многие склоняются к мысли, что это были Мо Цзы, Гун Шубань или Хань Синь. Китайские воздушные змеи представляли собой плоскую бамбуковую раму, обтянутую бумагой. Довольно часто змеев делали в виде сказочных птиц или животных. Они находили применения в военных походах (для передачи сигналов), их также запускали для развлечений во время различных праздников.
Идея летательного аппарата с машущими крыльями зародилась в голове знаменитого английского философа и естествоиспытателя, монаха-францисканта Роджера Бэкона. В его труде «О тайных вещах в искусстве и природе», опубликованном в 1542 году говорилось: «Можно построить машины, сидя в которых, человек, вращая приспособление, приводящее в движение искусственные крылья, заставлял бы ударять их по воздуху, подобно птичьим». Однако это были лишь общие фразы. Бэкон не предложил конкретных проектов для реализации этой идеи.
Через два столетия летающими повозками заинтересовался легендарный Леонардо да Винчи, который, в отличие от Бэкона, детально разработал проекты нескольких типов орнитоптеров: с лежащим положением лётчика(1485-1487), орнитоптер-лодку(около 1487года), с вертикальным положением летчика(1495-1497)
Основная часть:
Конструкцию летательного аппарата, именуемого махолетом, разработал еще Леонардо да Винчи. Но до сих пор никому не удалось построить машину, которая, махая крыльями, могла бы подниматься в воздух. Даже создание маленькой модели-копии такой машины сопряжено с большими трудностями.
История авиации полна красивых легенд. Есть и такая. Когда Можайский принес в какую-то высокую научную инстанцию проект первого самолета, там недоуменно спросили: «А почему эта штуковина крыльями не машет? Как же она летать-то будет?» И проект отклонили. На том основании, что аппарат тяжелее воздуха (то есть не дирижабль и не воздушный шар) может оторваться от земли только в том случае, если будет работать крыльями подобно птице. Так тогда думали. И в общем-то никакой ошибки в этой концепции не было. Действительно, что может быть естественнее, чем полет птицы. Люди многое позаимствовали у природы – почему бы не попробовать и это? Не получилось. Позаимствовать несложно, а вот оформить технически... После десятков, если не сотен, неудачных попыток скопировать птичий полет создатели первых летательных аппаратов пришли к выводу, что самолетное крыло нельзя заставить одновременно создавать подъемную силу и тягу. То, что птица делает не задумываясь, посредством мышц, воспроизвести механизмами не удавалось. И тогда подъемную силу «отдали» крылу, а тягу – двигателю с пропеллером. Первые же опыты показали, что так гораздо проще, и основной путь развития авиации был определен на долгие годы вперед. Никаких птиц. Исследования в области машущего полета оказались задвинутыми на задворки; нет, тупиковыми их не называли, но считали чем-то экзотическим – «в принципе возможно, но технически неосуществимо».
Разработки махолетов стали уделом одиночек, в основном самодельщиков. Их было много, в СССР после войны был даже создан Комитет машущего полета при ДОСААФ. Каждый пытался сделать свой аппарат. Из сотен построенных машущекрылых моделей ни одна так и не взлетела. Правда, в разные годы некоторым самодельщикам удавалось создать модели, запускаемые броском в восходящий поток воздуха, и даже пилотируемые планеры, но это махолетами не считалось: чтобы машущий полет признали полноценным, аппарат должен был все стадии (взлет, курс, посадка) проходить, махая крыльями, а это никак не получалось. Энтузиазм постепенно иссяк.
И вдруг успех. В 981 году в печати появились сообщения о том, что в Москве построена модель, способная самостоятельно взлетать, летать и садиться, как птица. Авиастроительный мир встрепенулся. Неужели полноценный машущий полет наконец-то осуществлен? Да. Такое не происходит ни с того, ни с сего. Аппарат, о котором идет речь, – не случайная удача, улыбнувшаяся вдруг дилетанту-самодельщику, а плод многолетнего труда профессионалов.
В 1976 году в Московском авиационном институте была организована опытно-конструкторская группа по исследованию машущего полета, которую возглавил в ту пору доцент, а ныне профессор Валентин Киселев.
Работу финансировали сразу несколько авиационных структур, в том числе мощнейшие в те времена ЦАГИ и ВВС, что позволило с первых же этапов проводить исследования на хорошей технической базе. Несколько стендов сотрудники группы соорудили сами специально под тему. Солидная теоретическая подкладка, профессионально выполненные расчеты, многократные испытания каждого агрегата – все говорило о том, что более чем полувековая эпоха дилетантства в исследованиях машущего полета закончилась.
Через 5 лет Киселев выкатил на летное поле первую модель махолета. Это был кордовый аппарат массой 7 кг и размахом крыльев 3,3 м, оснащенный электрическим двигателем мощностью 0,33 л. с., питание к которому подавалось по проводу. Расчетная скорость полета – 35v40 км/ч при частоте махов 1,4v1,5 в секунду.
По команде с пульта модель замахала крыльями, оторвалась от земли (по словам Киселева, все остолбенели, хотя в общем-то ничего другого и не ожидали) и принялась наматывать круги на трехметровой высоте. Полетала. Приземлилась. Все прошло нормально.
Развивая тему, сотрудники группы Киселева постепенно перешли от кордовых моделей к автономным. Новые 10-килограммовые аппараты «Стрекоза» и «Журавль» оснащались 2-тактными авиамодельными двигателями и радиоуправлением. Это существенно повышало информативность испытаний; появилась возможность пробовать махолеты не только в простом курсовом полете, но и в некоторых несложных фигурах пилотажа. Однако возникли проблемы. Начинка отечественного производства оказалась отвратительной: двигатели часто отказывали, да и радиоуправление надежностью не отличалось – в городе очень много помех (полеты проводились на бывшем Центральном аэродроме, что на Ходынке), впрочем, и в окрестностях Москвы трудно отыскать местечко с чистым эфиром. Несколько моделей разбилось – виной тому были моторы и электроника; собственно же махолеты особых проблем не создавали.
Модельная стадия разработки махолетов убедительно показала, что машущий полет не только «в принципе возможен», но и технически осуществим. Настало время подумать об аппарате, пилотируемом человеком. И к началу 90-х годов группа Киселева разработала несколько таких махолетов. На бумаге, в чертежах. Осталась самая малость: сделать их и поднять в воздух. И тут в планы Киселева вмешались политика с экономикой.
«Союз нерушимый» развалился. Все налаженные связи оборвались, государственное финансирование прекратилось. Научные и промышленные структуры, интересовавшиеся разработками Киселева, больше были озабочены собственным спасением, а не чьими-то пусть многообещающими, но не сулящими быстрой коммерческой отдачи идеями.
Киселев предпринял массу отчаянных попыток сотрудничества с новой буржуазией, но ему не повезло: три частные фирмы, взявшиеся, было, за постройку аппаратов, обанкротились, толком не успев ничего сделать.
Пилотируемые человеком махолеты так и остались только на бумаге.
Законный вопрос: а нужны ли они вообще? И если да, то зачем? Человечество уже век успешно летает, не махая крыльями. Классический, проверенный многолетней практикой принцип «тягу – двигателю, подъемную силу - крылу» для самолетов работает великолепно, так ли уж необходимо изобретать что-то еще? Попробуем ответить, ссылаясь на опыт Киселева.
Махолет, чьи крылья создают не только подъемную силу, но и тягу, хорош в первую очередь тем, что не требует взлетно-посадочных полос. Да, но, уместно такое возражение, существуют ведь вертолеты и самолеты вертикального взлета и посадки (ВВП), которые взлетают без разбега и садятся в точку. Чем они плохи?
Немного теории. Очень поверхностно, не влезая в научные дебри.
Подъемную силу при вертикальном взлете и вертикальной же посадке можно создать двумя способами. Первый - отбрасывая вниз большие массы воздуха с малыми скоростями (вертолет). Второй – отбрасывая вниз малые массы воздуха с большими скоростями (самолет ВВП; у него это достигается либо специальными подъемными двигателями, либо отклонением вектора тяги маршевых двигателей). Первый способ более экономичен, поскольку, чем меньше скорость и больше масса отбрасываемого воздуха, тем меньшая требуется мощность для вертикального взлета, соответственно, тем меньше сжигается топлива.
Вертолет исключительно хорош при взлете и посадке. Ротор, или, как его еще называют, несущий винт, омахивает огромную площадь, подъемная сила создается легко при небольших затратах мощности. А вот в горизонтальном полете этот аппарат оставляет желать лучшего. Аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению воздуха) вертолетного несущего винта, работающего в плоскости, близкой к горизонтальной, в среднем в 3 раза ниже, чем у самолетного крыла. И потому у вертолета низкие летные характеристики, в частности, невысокая скорость и небольшая дальность полета.
У самолета ВВП – свои проблемы.
С горизонтальным полетом все в порядке, как и у любого самолета, а вот взлет и посадка очень энергоемкие. На этих фазах сжигается почти все топливо; на выполнение же собственно полетного задания остается совсем немного. Первый самолет ВВП, английский Harrier, долгое время считавшийся лучшим в своем классе, имел радиус действия всего 160 км. Для боевой реактивной машины это ничтожно мало. Кстати, когда ВМС разных стран стали оснащать подобными аппаратами, было отмечено много случаев увольнения летчиков в отставку: перспектива остаться без топлива где-нибудь посреди океана мало кого устраивала. Пилоты с американских авианосцев мрачно шутили: «Адмиралы получили прекрасную возможность гонять нас за пивом в береговой магазин – ни на что другое эти летающие гробы не способны».
Со временем отношение к самолетам ВВП изменилось: появились более совершенные разработки, дальность действия увеличилась. Но многие проблемы до сих пор не решены: увеличение емкости топливных баков, и, соответственно, общего веса машины приводит к уменьшению полезной (в частности, бомбовой) нагрузки. Выбор возможностей небогат. Либо летай во всеоружии, но недалеко, либо далеко, но с неполным боекомплектом.
Периодически предпринимаются попытки вывести гибрид самолета с вертолетом. Есть, например, самолет ВВП V-22 фирмы Bell – у него на концах крыльев установлены двигатели с трехлопастными винтами, работающие как маршевые в горизонтальном полете и как подъемные при взлете-посадке (двигатели поворачиваются на определенный угол). Такая конструкция тоже далека от совершенства. Чтобы избежать резкого дисбаланса при внезапном отказе одного из двигателей (это очень неприятно в горизонтальном полете и почти всегда смертельно на взлете-посадке), их приходится соединять длинным, почти равным размаху крыльев, синхронизирующим валом, что очень утяжеляет аппарат. Оба винта вместе омахивают как минимум вдвое меньшую площадь, чем пропеллер одновинтового вертолета (при равенстве габаритов сравниваемых аппаратов), следовательно, потребная для взлета и посадки мощность у рассматриваемой машины выше, а значит, расход топлива больше.
Есть и другие недостатки. Например, при использовании винтов в качестве движителей в горизонтальном полете их кпд резко падает – поэтому максимальная скорость такого аппарата далека от той, какую можно было бы ожидать при столь высоких энергозатратах. Кроме того, при взлете-посадке крыло не используется, а только мешает струе, создаваемой винтом. В общем, проблем много.
Махолет лишен всех перечисленных недостатков. Он соединяет в себе преимущества самолета и вертолета. По крайней мере, в теории.
Группа Киселева, как уже говорилось, разработала несколько махолетов различных типов. На примере одного из них покажем, что представляет собой машущекрылый летательный аппарат и как он работает.
С виду это обычный самолет. В его фюзеляже установлена специальная поворотная платформа, на которой шарнирно закреплены крылья. Реактивная струя двигателей при вертикальных взлете и посадке направляется на турбину привода гидронасоса, управляющего хитроумной системой связанных с крыльями гидроцилиндров. Они являются «мышцами», приводящими в движение крылья, которые машут в разных плоскостях – в зависимости от того, в каком режиме работает Махолет: висения или горизонтального полета.
В хвостовом оперении махолета есть специальный привод установки стабилизатора по потоку, отбрасываемому машущим крылом.
В горизонтальном полете машущие крылья можно остановить – для этого предусмотрены специальные запирающие замки. В таком режиме махолет ничем не отличается от обычного самолета – крылья в неподвижном состоянии используются только для создания подъемной силы; тяга обеспечивается реактивной струей, направляемой уже не на турбину гидронасоса, а через обычные сопла назад.
Таким образом, на разных фазах полета можно выбирать наиболее выгодный режим: машущий полет на взлете-посадке, обычный – на горизонтальном курсе.
Расчеты показывают, что махолет может в горизонтальном машущем полете развивать скорость в 1,5-2 раза большую, чем вертолет той же массы, габаритов и грузоподъемности, и летать в 1,5 раза дальше (при остановленном крыле скорость больше в 3-4 раза). Если же сравнивать его с рассмотренным выше самолетом типа V-22, то теоретически скорость махолета на 40v50% выше, кроме того, вес пустого аппарата на 15v20% меньше.
При исследованиях принципов машущего полета Киселев столкнулся со множеством проблем, на первый взгляд казавшихся неразрешимыми. Предварительные расчеты убеждали в том, что машущий полет... вообще невозможен: слишком большая частота махания требовалась, чтобы создать потребные для взлета аэродинамические силы, должны были возникнуть огромные инерционные перегрузки, какое крыло не выдержит.
Наблюдения за полетами птиц поначалу вообще сбивали исследователей с толку. Выяснилось, например, что по законам элементарной аэродинамики утка вообще летать не должна: нагрузка на крыло (отношение полного веса птицы к площади крыла) очень велика. Однако летает. Или, допустим, майский жук. Он тоже по всем законам неполетоспособен – это подробно описано в популярной литературе для авиамоделистов как некий природный казус.
Долгое время считалось, что несущие способности птичьего крыла во многом обеспечиваются перьевой структурой: желобками, бороздками, волосками, наполненными воздухом полостями и т. д., следовательно, сделать механическое подобие такого крыла невозможно (представьте себе самолет с перьями – весело, не правда ли?). Однако результаты экспериментов группы Киселева опровергли эту точку зрения. Машущее крыло способно создавать потребные аэродинамические силы независимо от того, какое оно – перьевое, перепончатое (летучие мыши) или имеющее вид плоской пластины с желобками (насекомые). Значит, дело не в перьях – они, как считает Киселев, нужны птице в основном для удобства складывания крыльев, для сохранения тепла и для обеспечения легкости «конструкции». И не в желобках – насекомые прекрасно летали с вымазанными краской крыльями. А в чем же?
Когда прообраз первого махолета замахал крыльями на стенде, исследователи с удивлением обнаружили, что, несмотря на неспособность двигателя довести частоту махов до расчетных значений, создаваемые аэродинамические силы не только достаточны для взлета, но и выше потребных! Парадокс. Чтобы «поверить глазам своим», пришлось сделать специальную установку в аэродинамической трубе, позволяющую резко вводить крыло в воздушный поток. Выяснилось, что сначала аэродинамические силы резко возрастают, а затем убывают до установления стационарного обтекания. Этот силовой скачок, обусловленный нестационарностью обтекания машущего крыла, очень полезен на малых скоростях и в режиме висения – он-то и делает возможным вертикальный взлет при минимальных затратах энергии. С ростом горизонтальной скорости аппарата несущие свойства машущего крыла падают, но подъемную силу легко сохранить за счет увеличения скоростного напора воздуха.
И еще один важнейший вывод из описанного явления. Поскольку нестационарность потока помогает создавать большие аэродинамические силы, позволяющие снизить потребные скорости махов, то вредные, разрушающие крыло инерционные нагрузки соответственно невелики. К тому же нагружающие крыло аэродинамические и инерционные силы, как выяснилось, при махании не складываются, так как действуют в разные моменты времени. Первые максимальны в средних положениях, когда и скорость маха максимальна, а вторые – в крайних, когда крыло меняет направление движения. И полезные аэродинамические, как правило, больше вредных инерционных, а значит, именно по ним должен осуществляться расчет крыла на прочность. Так что опасения насчет неизбежности разрушения конструкции от больших инерционных перегрузок беспочвенны.
Очень много сомнений оппоненты высказывали насчет возможностей увеличить вес и размеры машущекрылых аппаратов. Дескать, почти невесомая модель – это одно, а вот машина с людьми и грузом... Киселев провел массу испытаний геометрически подобных крыльев, размерами отличающихся друг от друга в 5 раз, и подтвердил теорию о том, что подъемная сила «обгоняет» рост веса аппарата – следовательно, никаких принципиальных причин для ограничения размеров махолетов нет. Сейчас в архиве группы Киселева лежит проект так называемого бизнес-махолета массой 5600 кг, способного перевозить 10 пассажиров на 1000 км или 5 пассажиров на 1800 км с крейсерской скоростью 800 км/ч. Есть и другие разработки, тоже далеко не «невесомые».
И по всем выкладкам, подтвержденным стендовыми испытаниями, эти машины должны вполне нормально летать.
Справедливости ради следует отметить, что в своих изысканиях Киселев далеко не одинок. Изучением машущего полета активно занимаются и на Западе. Очень интересны разработки американца Пола Маккриди - талантливейшего конструктора, прославившегося созданием различных нетрадиционных средств передвижения по воздуху, таких, например, как самолет с мускульным приводом (в 1979 году мускулов летчика хватило на перелет через Ла-Манш) или самолет с электродвигателем, питающимся от установленных на крыльях солнечных батарей. В середине 80-х годов при мощнейшей поддержке коммерческих структур Маккриди построил нечто машущекрылое, внешне напоминающее птерозавра. Пресса поспешила окрестить аппарат махолетом.
Созданная Маккриди модель не умела взлетать сама. Ее запускали лебедкой. Включение крыла в машущий режим поначалу приводило к беспорядочному падению (при выполнении первого демонстрационного полета в мае 1986 года модель стоимостью $700 тыс. вдребезги разбилась о бетон аэродрома; пресса не замедлила поиздеваться: «Теперь понятно, как вымерли птерозавры»). Потом аппарат научили худо-бедно летать, махая крыльями; публика, видя это на авиашоу, визжала от восторга, но... Специалисты не признали трюк полноценным машущим полетом. Медленные, малоамплитудные, «робкие» движения крыльями в лучшем случае не препятствовали планированию. Ни о наборе высоты, ни об увеличении скорости даже речи не было. Ну машет модель крыльями и машет. А могла бы и не махать – результат был бы тот же. Киселев впоследствии проанализировал работу аппарата Маккриди и пришел к выводу, что потребных для взлета аэродинамических сил его крылья не создают.
Известны и другие разработки. Киселев переписывается с Аэрокосмическим институтом Торонтского университета, где в 1992 году была создана и успешно испытана модель машущекрылого аппарата, названного орнитоптером. Он запускается броском в восходящий поток воздуха, а сам взлетать не может. Кроме того, крутильные движения крыла осуществляются только за счет его гибкости (примерно так плавают скаты и камбалы), а не поворотами профиля крыла на потребные углы. Подбор параметров гибкости очень сложен. Крыло получается «однорежимным»; чуть меняются внешние условия – и полет становится проблематичным. Модель весит 3,4 кг и, судя по всему, существенно увеличить ее массу нереально (напомним, что киселевские уже летавшие «Стрекоза» и «Журавль» весят по 10 кг).
Киселев регулярно знакомит заокеанских коллег со своими разработками, а они его – со своими. Друг у друга идеи не заимствуют, каждый идет своим, как ему кажется, единственно верным путем.
В общем, периодически в мире строятся машущекрылые аппараты. Публикации в прессе позволяют говорить о приоритете российской науки в исследованиях машущего полета. Америка пока считает за откровение то, что для нас давно пройденный этап. Конечно, вполне возможно, что в каких-нибудь структурах вроде NASA уже создано что-либо, претендующее называться полноценным махолетом, но это нам неизвестно. Если же отталкиваться лишь от той информации, которая открыта для всех, можно утверждать: в этой области науки мы пока опережаем Запад лет на десять, а то и больше.
Как говорится, на этой радостной ноте можно было бы и закончить. Но радости что-то не ощущается. Мучает вполне уместный вопрос: если мы такие умные, если мы впереди планеты всей, то почему до сих пор на махолетах не летаем?
Причина до банального проста: деньги. Вернее, их отсутствие. На постройку первого в мире пилотируемого махолета по расчетам Киселева нужно около $100 тыс. Сумма в общем-то не ахти какая, но и ее пока никак не наскребут – видимо, людям науки трудновато ориентироваться в извивах нашей сумасшедшей экономики.
Аэродинамика, надо думать, проще.
Первый пилотируемый аппарат (для начала Киселев предлагает сделать машину с размахом крыльев 7,1 м и взлетным весом 450 кг, способную подниматься на высоту 4500 м и летать со скоростью 150 км/ч) можно построить и испытать за год-полтора. А потом... Потом возможны варианты его коммерческой реализации, позволяющей получить деньги на строительство более сложных машин.
Вариантов масса.
Во-первых, выставки. Только в США за год проводится более 400 авиашоу разных рангов, и любая экзотика проходит там на ура. Лучшую рекламу трудно придумать.
Во-вторых, прямая реализация. Лондонский музей науки и промышленности недавно обратился к Киселеву с просьбой продать первый махолет для экспозиции. А всемирно известная фирма Sotheby-s выразила согласие на аукционную продажу махолетов, естественно, когда те будут построены.
В общем, спрос уже есть. Нет только предложения.
Много ли на этом выручишь? Думаю, немало. Маккриди продал свою модель вашингтонскому авиамузею за $3 млн., а ведь это не полноценный махолет, а лишь его имитация. Представьте себе, за сколько могут купить настоящий махолет, пилотируемый человеком, да к тому же первый в мире.
Увы, пока все это выглядит, как разговоры в пользу бедных. Всем безумно интересно, но денег никто не дает.
Может быть, боятся – а вдруг не полетит? Что ж, риск, безусловно, есть. Но ведь кто не рискует...
Пока Киселев ищет деньги на постройку первого махолета, техническая база исследований потихоньку приходит в упадок. Не так давно, например, разворовали ангар, где хранятся модели. С аппаратов сняли все материально ценное (кстати, именно этим объясняется некоторая убогость иллюстраций к этой статье – фотографировать нечего, аппараты раскурочены). Символично для нашей науки, согласитесь.
Махолет рано или поздно кто-нибудь построит. Жаль, если это будет не в России, ведь мы в этой области первые. Пока. Запад с его технической базой и финансами долго рассусоливать не станет – там, судя по публикациям, теория уже на подходе, глядишь, скоро и практический результат будет. И когда американцы полетят, махая крылышками, на вопрос «Почему не мы?» можно будет отвечать, разводя руками: «Потому что в кузнице не было гвоздя...» Или, точнее, потому что в кошельке не нашлось рубля.
Заключение:
Существует два типа моделей махолета: центропланные, центральная часть крыльев которых неподвижна по отношению к корпусу, и бесцентропланные с движущимися крыльями. Второй тип махолета - наиболее интересный по конструкции и самый сложный в изготовлении.
Модель махолета В. Федотова уверенно набирает высоту. Крутящий момент на валу ее приводного механизма превышает 500 Н ″ м. А крутящий момент винта для полета самолета такого же размера и массы должен быть в 20-25 раз меньше. Отсюда следует вывод: пучки резиновых нитей в моделях махолетов должны работать не на скручивание, а на растяжение. Только при этом условии резиновый двигатель допустимой массы без особых дополнительных устройств способен создавать на валу достаточный крутящий момент. Однако такой способ использования резинового двигателя обладает существенным недостатком. Сильно растянутый жгут резины очень быстро расходует всю запасенную механическую энергию, и модель махолета успевает сделать 12-13 взмахов крыльями и пролететь по горизонтали всего 5-6 м.
На модели махолета В. Федотова установлен резиновый двигатель, пучки резиновых нитей которого работают на растяжение. Это обстоятельство значительно сокращает, как уже отмечалось прежде, продолжительность полета. Нельзя ли сделать полет более продолжительным? Можно, если заставить пучки резиновых нитей работать на скручивание - тогда количество взмахов крыльями увеличится более, чем в десять раз. Выигрыш существенный. Только достигается он ценой значительного усложнения всей конструкции махолета. Этим и объясняется, почему таких моделей создано еще не так много. Основные направления, по которым здесь следует идти,- снижение массы модели, конструирование более совершенного (и в то же время простого) механического привода, создающего в различные фазы вращения оси разные по величине крутящие моменты. И последнее. Размышляя над тем, какой махолет лучше, не забывайте, что природа неистощима в своих «технических» находках, помогающих живым существам наилучшим образом приспособиться к среде обитания. Вот почему использование «патентов» природы помогает создавать еще более совершенные летательные аппараты.
Перечень используемых источников информации:
ДОСААФ - Добровольное Общество Содействия Андропову Алиеву Федорчуку
журнал "мотор"
Показать все
Сочленение крыла с телом
Крепление крыльев к телу и их движение
Способность к полетам выработалась у насекомых на протяжении эволюции: как известно, наиболее примитивные отряды могут передвигаться лишь при помощи , так как не имеют . Перемещение по воздуху более выгодно в плане скорости, и на него, к тому же, тратится куда меньше энергии, чем на ходьбу.
Крыло насекомых можно сравнить с двуплечим рычагом. Короткое плечо представлено его внутренней частью (основанием), которая скрыта под мембраной, а длинное располагается снаружи: собственно, эту видимую часть и принято считать крылом. На внутренней поверхности экзоскелета, сразу под местом сочленения крыла с телом, находится плотный выступ, который называют плейральным столбиком; данная структура играет роль точки опоры при взмахе . (фото)
Когда насекомое собирается расправить , оно сокращает специальные мышцы (), прикрепленные к спинке. Спинка перемешается немного вниз, надавливая на внутреннюю часть крыловой пластинки. Она, в свою очередь, упирается в плейральный столбик. При этом основание крыла опускается, а его наружная часть одновременно идет вверх. Если же необходимо опустить крыло, спинка снова поднимается, и все приходит в исходное положение.
Взаимодействие крыльев во время полета
Насекомые перемещаются либо с помощью четырех (жуки, бабочки), либо с помощью двух . Обычно пара крыловых пластинок, расположенная на одной стороне тела, при расправлении образует единую летную поверхность. Исключение составляют лишь некоторые представители класса. Например, среди стрекоз есть как равнокрылые, у которых движутся одинаково, так и разнокрылые - у них каждое крыло перемещается по-своему. (видео)
Типы полета
Разделение полета на разновидности может проводиться с разных точек зрения. Например, в зависимости от его цели специалисты выделяют два основных типа:
- тривиальный (обыденный) - полет с целью добычи питания, поиска партнера для и др.
- миграционный - полет, осуществляемый для поиска новых мест обитания.
Эта градация не относится к самым удачным, так как она не отражает особенностей работы крылового аппарата насекомого в том или ином случае. Так, и саранча, и бабочки могут мигрировать на большие расстояния, однако конкретные способы, которыми они это делают, отличаются, и это надо учитывать. По этой причине самой удобной представляется функциональная классификация полета на пассивные и активные способы.
Пассивный полет
- осуществляемый без активной работы мышц, под воздействием силы тяжести, воздушных потоков или накопленной в активном полете кинетической энергии (силы инерции).Он бывает:
Активный полет
: он возможен благодаря активным движениям . Насекомое осуществляет крыловые удары, которые и обеспечивают его перемещение вперед и вверх. Активное перемещение разделяют на две основных разновидности:- машущий полет - осуществляемый при помощи высокоамплитудных взмахов , во время него насекомое движется относительно земли.
- стоячий (трепещущий) полет - насекомое производит мелкие движения, при этом оно висит в воздухе, но не летит вперед.
Способность к машущему полету имеют все крылатые отряды, а стоячий могут продемонстрировать лишь мухи, бабочки и некоторые другие, довольно немногочисленные насекомые. При этом во время стояния на месте кончик крыла описывает фигуру восьмерки. Если же насекомое смещается вперед, эта фигура «растягивается», и крыло «рисует» синусоиду. (видео)
Скорость и дальность полета
Казалось бы, чем легче насекомое, тем быстрее оно должно летать, но в живой природе все нередко происходит наоборот. Чем меньше размеры у летуна, тем труднее ему противиться току воздуха, и тем больше усилий надо прикладывать для перемещения. Поэтому быстрее всего летают средние и крупные мухи, бабочки и стрекозы. Жуки им в этом уступают: с увеличением размера тела Жесткокрылые становятся более тяжелыми и неповоротливыми. Так, например, бабочка бражника в полном безветрии способна перемещаться на 15 м за одну секунду (54 км/ч) 1046 раз в секунду.
Внешние условия, такие, как ветер и дождь, очень сильно влияют на возможность полета. Обычно насекомые стараются не взлетать при неблагоприятных условиях среды. Однако у некоторых существуют весьма необычные взаимоотношения с природными явлениями. Например, при скорости ветра до 0,7 м/с синие мясные мухи летают очень активно - такая интенсивность течения воздушных потоков действует на них стимулирующее. Однако, как только показатель достигнет больших величин, полет у этих Двукрылых сразу же становится крайне непопулярным занятием.
Во время расселения или миграций насекомые порой могут совершать достаточно длительные перелеты, но на это способны не все. Например, большинство мух в спокойных условиях преодолевают несколько метров, а затем присаживаются отдохнуть. Если лишить их такой возможности, они пролетят чуть больше километра, а затем устанут и упадут. Другие же достаточно сильны для того, чтобы перелетать на куда большие расстояния. Например, стрекоз видели посреди Карибского моря более, чем за 500 км от ближайшего участка суши. Если учесть, что такое насекомое обладает достаточным запасом сил, чтобы вернуться назад, оно показывает фантастические результаты выносливости.
Пассивный полет
Типы полета
Разделение полета на разновидности может проводиться с разных точек зрения. Например, в зависимости от его цели специалисты выделяют два основных типа:
- тривиальный (обыденный) – полет с целью добычи питания, поиска партнера для размножения и др.
- миграционный – полет, осуществляемый для поиска новых мест обитания.
– осуществляемый без активной работы мышц, под воздействием силы тяжести, воздушных потоков или накопленной в активном полете кинетической энергии (силы инерции).
Он бывает:
- парашютирующий : насекомое активно взлетает вверх, набирая определенную высоту, а затем определенным образом расправляет крылья, создавая сопротивление воздуху, и медленно снижается, как на парашюте. При этом движению вниз оно препятствует не только при помощи расправленных крыльев, но и придавая определенное положение конечностям или хвостовым нитям. Такой полет характерен, например, для поденок и мошек, которые «практикуют» его в период роения.
- планирующий : насекомое разгоняется, а затем останавливает взмахи крыльев, расставляя их в стороны. Благодаря разгону движение еще какое-то время продолжается; оно направлено вперед, с постепенным снижением. Планирующий полет характерен для насекомых с крыльями большой площади, например, бабочек.
- парящий : он отличается от планирующего тем, что насекомое использует в ходе перемещения токи воздуха, таким образом, во время парения происходит движение вперед и вверх, а не вперед и вниз. Таким образом часто летают стрекозы.
- дрейфующий : этот полет, как и парящий, невозможен без сил внешней среды. Под действием ветра и вертикальных потоков воздуха мелкие насекомые (мошки, тля) могут преодолевать значительные расстояния, до десятков тысяч километров. Это способствует их расселению, но иногда может быть для них и губительным: они не способны сопротивляться сильному ветру и погибают, если ток воздуха принесет их в воду или по пути они будут уничтожены хищниками. Дрейфующий полет – единственная возможность путешествия по воздуху для бескрылых насекомых, а также личинок.
: он возможен благодаря активным движениям крыльев. Насекомое осуществляет крыловые удары, которые и обеспечивают его перемещение вперед и вверх. Активное перемещение разделяют на две основных разновидности:
- машущий полет – осуществляемый при помощи высокоамплитудных взмахов крыльями, во время него насекомое движется относительно земли.
- стоячий (трепещущий) полет – насекомое производит крыльями мелкие движения, при этом оно висит в воздухе, но не летит вперед.
48.Танцы пчел.
Это сообщение о появлении источника нектара и пыльцы; о найденном дереве, с почек которого можно собрать прополис, чтобы заделать в улье щели; об обнаружении водяных источников или о новом месте, пригодном для строительства гнезда. При наличии в природе обильного взятка Т. п. мобилизует пчелиную семью на работу, во время слабого взятка Т. п. не происходит.
Пчела-разведчица, найдя богатый источник нектара или пыльцы, по возвращении в улей танцует на сотах с полным зобиком добычи. Т. п. - своего рода «язык» , сигнал, с помощью которого пчелы узнают о расстоянии от улья до источника взятка, о направлении, в котором он находится, о роде корма.
У пчел существует две разновидности движений - круговые и виляющие. Каждый Т. п. принципиально отличается от другого и несет важную информацию. Следует сказать, что пчелы в полетах всегда ориентируются по солнцу, и даже в облачные дни они чувствуют и знают его положение. Это важно знать, т. к. в танце пчелы-разведчицы обязательно указывается маршрут к взятку относительно солнца.
Во время цветения многих видов растений пчелы-разведчицы разыскивают те из них, которые более наполнены нектаром, и Т. п. более оживленный, а при обнаружении менее богатого источника взятка - менее энергичный. Сила специфического запаха, сладость нектара, приносимые домой пчелой-разведчицей, определяют степень мобилизации сил семьи.
Пчела-разведчица, найдя новый источник корма, оставляет на нем пахучее вещество, выделяемое железами на кончике брюшка, набирает в зобик корм и летит в свой улей. Пахучее вещество помогает отыскивать цель членам ее семьи, поднятым по тревоге.
Прилетев в улей, пчела-разведчица бежит вверх по сотам в гущу пчел. Отрыгивая из зобика собранный мед, она передает его двум-трем пчелам. Освободившись от корма, сборщица начинает свой танец. Если расстояние между источником корма и ульем не превышает 100 метров, она совершает круговой танец.
49.Смена функций рабочей пчелы в течении жизни.
Первоначально при изучении поведения в небольшую пчелиную семью подсаживали группы рабочих пчел известного возраста, помеченных одним цветом. Пчелиную семью содержали в наблюдательном улье с остекленными стенками. Регистрировались формы поведения меченых пчел в разные периоды их жизни. Подобными наблюдениями установлено, что в течение летних месяцев жизнь рабочей пчелы подразделяется на два основных периода. Во время первого периода, продолжающегося около трех педель, молодая рабочая пчела выполняет многие важные функции внутри улья. Во второй период, т.е. в последующие две или три недели, пчела летает в поле. Она приносит воду, нектар, пыльцу, прополис.
Вполне сформировавшаяся рабочая пчела прогрызает крышечку ячейки и выходит на сот. По выходе она часто протягивает по направлению к окружающим ее пчелам расправленный хоботок за пищей. В ответ па это движение другая пчела раздвигает мандибулы и, слегка сместив нерасправленный хоботок из положения покоя (при котором оп сложен под головой), кпереди и книзу, отрыгивает из медового зобика каплю пищи, которая задерживается у основания язычка между раздвинутыми мандибулами. Молодая пчела погружает в каплю свой язычок и высасывает ее. Обе пчелы часто соприкасаются антеннами, контролируя с помощью органов осязания соответствующее положение ротовых частей. Полагают, что в течение первых трех дней своей жизни молодая пчела сама не берет мед из ячеек. В этот период для ее поведения характерны движения чистки и протягивания хоботка к другим пчелам за пищей. Большую часть времени она проводит или в ячейках, которые освободились от только что вышедших пчел и которые она вычищает, или, оставаясь более или менее неподвижной, вместе с другими пчелами обогревает расплод. С четвертого дня жизни молодая пчела уже сама достает мед из ячеек, хотя по-прежнему часто протягивает хоботок к другим пчелам. В это время она потребляет много пыльцы, которую берет из запасов семьи. Белки, содержащиеся в пыльце, абсолютно необходимы для полного развития гипофарингеальных желез, вырабатывающих личиночную пищу. Названные железы начинают функционировать обычно на пятый или шестой день жизни пчелы. До их функционирования молодая рабочая пчела не в состоянии снабжать личинку соответствующей пищей. Роль кормилицы пчела выполняет до тех пор, пока не достигнет возраста 12 дней, когда ее железы становятся сильно редуцированными, а их секреция - весьма недостаточной. Тем временем у пчелы активизируются железы, выделяющие воск, и в возрасте около 12 дней она в состоянии начать отстройку и починку сотов. Если условия погоды благоприятствуют, то примерно в тот же период жизни пчела совершает первый ориентировочный облет.
50.Нектар,мед,прополис.Их происхождение и значение для пчел.
Основным сырьем для получения цветочного пчелиного меда служит нектар, который вырабатывается активными железами растения (цветка) - нектарниками. Нектар представляет собой водный раствор Сахаров. Общее содержание Сахаров в нектаре колеблется от 3 до 80% и зависит от вида растений, климата, времени суток, сезонности, влажности воздуха и почвы. Пчелы предпочитают собирать нектар с большим содержанием сахара.
Падь растительного происхождения или медвяная роса или внецветочный нектар - выделение сахаристого сока на листьях некоторых лиственных деревьев и хвое ели в виде выпота - росы. Образуется она рано утром при резких колебаниях суточной температуры, когда после холодной ночи наступает жаркое утро. Медвяная роса встречается реже и в меньших количествах, чем падь животного происхождения, и по составу ближе к цветочному нектару.
В падиевом мёде содержится больше компонентов, чем в цветочном: аминокислот, декстринов, ферментов, органических кислот и минеральных веществ. В западной Европе падевый мёд ценится выше, чем цветочный.
Сбор и переработка нектара пчёлами
Пчела-сборщица хоботком собирает нектар до полного наполнения медового желудочка и летит в свой улей, где передаёт нектар пчеле-приёмщице. Летящая пчела несёт в среднем 40-45мг нектара. Однако в улей она приносит меньше нектара (20-40мг), так как часть его расходуется на восстановление сил во время полёта. Чтобы создать 100г мёда пчела должна посетить около миллиона медоносных цветков. Чтобы собрать килограмм мёда пчеле нужно принести примерно 150 тыс. нош нектара.
Нектар поступивший в улей содержит большое количество воды 40-80%. В созревшем мёде 18-20% воды. Пчелы-приемщицы после принесения нектара начинают обрабатывать нектар своими челюстями в продолжение 20 минут. Эта обработка заключается в последовательном и многократном выпускании капельки нектара через раздвинутые верхние челюсти на хоботок, а затем проглатывании ее в медовый желудочек. Так повторяется 120-240 раз. За это время нектар подвергается воздействию теплого воздуха циркулирующего в улье, при этом нектар теряет значительную часть воды и насыщается ферментами, выделяемыми слюнными железами пчелы. С увеличением концентрации сухого вещества проветривание содержимого медового зобика становится все трудней и оно полностью прекращается при его влажности около 30-40% вследствие большой вязкости.
Если пчёлы-приёмщицы загружены работой, то пчёлы-сборщицы подвешивают каплю нектара к верхней стенки восковой ячейки. Висячие капли имеют большую поверхность испарения и влага из нектара испаряется интенсивнее.
Закончив обработку, пчёламы-приёмщицы откладывают нектар в пустые сотовые ячейки вблизи расплода. Здесь поддерживается наиболее высокая температура, облегчающая удаление воды из нектара. При наличии достаточного количества пустых ячеек сначала они заполняются на одну четверть или на одну треть. При недостатке места этого не бывает. В таком случае ячейки заполняются сразу наполовину или даже больше. Капельки нектара подвешиваются пчелами в разных местах ячейки с тем, чтобы испарение воды из него протекало более интенсивно.
Дальнейшая обработка нектара заключается в вентилировании с целью удаления влаги и многократном перенесении его из одной ячейки в другую, пока незревший мёд не станет густым. Множество пчел, которые находятся на дне и по стенам улья, расположившись в один или несколько рядов создают циркуляцию воздуха в улье, ускоряющую испарение влаги. Кроме того, сгущение нектара происходит в медовом желудочке пчелы-работницы. Капелька нектара уменьшается в объёме за счёт всасывания воды клетками медового желудочка. В организме пчелы нектар также обогащается ферментами, органическими кислотами, антибактериальными веществами и т.д.
Ячейки наполненные доверху созревшим мёдом пчёлы запечатывают восковыми крышечками, и в таком виде мёд может хранится в течение многих лет.
Совокупность процессов, которые происходят в улье при переработке нектара (пади) в мед называется созреванием меда. Среди этих процессов в первую очередь следует выделить удаление воды, обогащение незрелого мёда ферментами и расщепление (инвертирование) и синтез (образование) сахаров.
В нектаре может содержаться до 80% и более воды. В процессе переработки нектара пчёлами содержание воды уменьшается до 20% и менее. Мёд с большим содержанием воды начинает бродить и непригоден к длительному хранению.
При созревании мед обогащается многими полезными продуктами деятельности слюнных желёз пчёл, в том числе ферментами (современное название энзимы), ускоряющими обмен веществ в организме человека. Под действием ферментов и происходит разложение и синтез сахаров. Например расщепление сахарозы идёт под действием фермента инвертазы.
В процессе созревания меда происходят и другие сложные биохимические реакции, в результате которых создается его хороший вкус, аромат, приобретается стойкость при хранении и образуются декстрины (продукты неполного расщепления крахмала), бактерицидные и другие вещества, обуславливающие ценность этого продукта
Продолжительность созревания (т.е. до запечатывания ячеек) по разным источникам составляет от 1-3 дней до 1-20 дней и зависит от следующих параметров: сила пчелиной семьи; интенсивность взятка; исходное содержание воды в сырье; степень заполнения ячеек; методы работы пчеловода; климатические факторы, такие как влажность воздуха и температура. Некоторые авторы отмечают, что полное созревание мёда наступает через 3-4 недели после запечатывания ячеек.
Согласно теории внутреннего происхождения - прополис является смолистым остатком от первой фазы переваривания пыльцы. Рабочие пчелы глотают пыльцу, в кишечнике пыльцевые зерна набухают и лопаются. Из них вытекает плазма, которую пчелы используют для кормления молодых пчел - кормилиц расплода. Из неперевариваемых оболочек пыльцевых зерен образуется бальзам, который пчелы выделяют в виде капель. Этот бальзам и является основной составной частью прополиса.
Мед жизненно необходим пчелам для питания, особенно зимой. Кроме нектара, пчелы собирают с растений цветочную пыльцу, являющуюся их белковым кормом. Комочки пыльцы пчелы тоже складывают в ячейки сот, утрамбовывают их, а сверху заливают медом. Такой продукт называется пергой. Перга - источник белкового питания пчелиной семьи. Зимой запечатанные соты освобождаются от тонкой оболочки, и тогда мед поедается пчелами. Эта еда, богатая калориями, имеет особое значение для пчел. Она позволяет сохранить постоянной температуру улья. Для этого пчелы быстро вращают крыльями и гонят воздух по всему улью. Таким образом яйца и личинки защищаются от переохлаждения или перегрева.
51.Общественные насекомые.Касты у пчел и муравьев.
Общественные насекомые (социальные насекомые) - группа насекомых, отличающаяся общественным образом жизни.
К ним относят муравьёв, пчёл, ос, термитов, шмелй.
Для общественных насекомых характерно обитание в совместно построенном гнезде, уход за потомством, перекрывание нескольких поколений и разделение обязанностей среди членов их семей. Семьи состоят из нескольких каст: половых (репродуктивных самок и самцов) и бесплодных рабочих особей (рабочие, солдаты и другие) . Последние выполняют все функции в семье, кроме размножения.
Большинство общественных насекомых относится к отряду Перепончатокрылые насекомые.
Причем, только семейство Муравьи является полностью социальным, тогда как в других семействах перепончатокрылых (пчелы и осы) наблюдаются все стадии перехода от одиночного образа жизни к общественному. Также к этой группе относится подотряд Термиты. Отдельные признаки социальности наблюдаются и в других группах насекомых, например, у клопов, тлей, уховерток.
К общественным насекомым относится медоносная пчела. Крупная семья пчел насчитывает до 100 тыс. особей, которые живут в улье (рис. 105, А). В улье большинство насекомых - рабочие пчелы. Это бесплодные самки, у которых видоизмененный яйцеклад служит жалом. Они чистят улей, собирают нектар, ухаживают за маткой и личинками, охраняют улей от врагов. Живут они только один сезон (около года). В пчелиной семье главная пчела - матка, которая откладывает яйца - до 2000 в сутки. Живет она около пяти лет. Весной, в мае - июне, в пчелиной семье из куколок появляются новая матка и несколько десятков самцов, которых называют трутнями: никакого участия в работе они не принимают, а основная их задача - оплодотворение матки. Старая самка с частью рабочих пчел покидает улей - происходит роение. Пчеловоды собирают рой и поселяют его в новом улье. Осенью рабочие пчелы изгоняют оставшихся трутней из улья, и они погибают.
Касты пчел.Семьи пчел содержат до 80 тыс. особей,среди них только одна матка(царица),несколько десятков трутней(цари) и все остальные рабочие пчелы
Матка всегда одна и занимается откладыванием яиц.Живет до 5 лет,выходит наружу только после рождения только для брачного полета. В каждом улье только одна плодовитая матка. Она спаривается с трутнями, развивающимися из неоплодотворенных яиц, а затем только откладывает яйца.
Из большинства яиц выходят рабочие пчелы. Они развиваются из оплодотворенных яиц и появляются на свет, проведя в ячейке 21 день. Через несколько дней молодые рабочие начинают чистить пустые ячейки, готовя их к приему новых яиц. Спустя 5-6 дней у них во рту созревают железы, позволяющие им кормить матку и личинок богатым белками пчелиным молочком. Личинки трутней и рабочих пчел с пятого дня жизни получают цветочную пыльцу, а будущих маток кормят только пчелиным молочком.
В возрасте 18-20 дней рабочие пчелы выполняют обязанности сторожей внутри улья, а после 21 дня начинают вылетать из улья в поисках нектара. Возвратившись с добычей, они сообщают другим пчелам, в какой стороне находится новый источник пищи. Большинство рабочих пчел погибают спустя примерно 6 недель после рождения, а матка живет до 4-5 лет.
у муравьев имеется три основные касты: самцы, самки и рабочие (бесплодные модифицированные самки).
Забудем на некоторое время все воздушныe маневры типа поворотов, взлетов и приземлений. Активный полет, при котором ловчая птица продвигается вперед с помощью взмахов крыльев, имеет несколько узнаваемых типов. Первый - это размеренный полет, более или менее сравнимый с нашей ходьбой. Исследования Spedding, Pennycuick и Rayner показали, что когда сокол, например, пустельга или сапсан, летит очень медленно, со скоростью менее трех метров в секунду, движения крыльев вверх являются пассивными, не обеспечивающими подъема и не создающими вихрей. Результатом являются тороидообразные вихревые кольца, создаваемые толчками от движений крыльев вниз (рисунок 1.16. 1). При взмахе крыло сгибается очень близко к телу и поджимается, не создавая при этом следовых вихрей воздуха.
Сходным образом летают сарычи и орлы, но взмахи крыльев у них глубже и медленнее, а крылья складываются сильнее. Их крылья движутся вверх быстрее, чем вниз. При напряженном полете весьма вероятно, что взмах становится активен, обеспечивая некоторую подъемную силу, в то время как при более медленном полете, он, вероятно, пассивен. Когда сокол набирает скорость выше 7 метров в секунду, воздушной скорости достаточно, чтобы поднять крылья, что уменьшает нагрузку на надлопаточные мыщцы. Когда взмах активен, он создает следовые завихрения (рисунок 1.16.2). Вместо того чтобы складываться близко к телу, крыло при взмахе удерживается жестче и прямее, что ведет к типичному мерцающему полету крейсирующего сапсана (рисунок 1.16.3).
Сокол, который летит на такой большой скоpости, что обычные крейсирующие взмахи крыльев будут только затормаживать полет, похож на велосипедиста, который не может крутить педали достаточно быстро, чтобы ускорить движение. Поэтому сокол скользит в воздухе с полузакрытыми крыльями, при этом второстепенные обеспечивают подъемную силу, в остальном минимизируя рычажную нагрузку на грудные мыщцы. Сзади мягко слетают следовые вихри (в центре, рисунок 1.16.4) как при крутом плaнировании (сравните рисунки 1.15.2 и 3). Затем сокол выполняет серию глубоких пульсирующих взмахов, при которых он вкладывает как можно больше силы в несколько быстрых опусканий крыла, более быстрых, чем скорость полета, и которые направлены таким образом, чтобы обеспечить толчок, а не подъем. Результатом, который очень хорошо заметен у кречета на спринтерском полете, является то, что каждый взмах крыльев явно рывками толкает птицу вперед. Выглядит это так, словно кто-то невидимый пинает птицу сзади. Даже небольшой серии таких пульсирующих взмахов достаточно, чтобы сокол набрал такую скорость, при которой дальнейшие взмахи крыльев бесполезны. К тому времени что-нибудь произойдет.
Ястребы тоже способны к спринтерскому полету, но у них немного другая проблема. В то время как крупным соколам необходимо очень быстро преодолевать большие дистанции, ястребам нужно очень быстро летать на короткие дистанции. Они могут выиграть или проиграть схватку в считaнные секунды. Следовательно, у них проблемы не с наибольшей скоростью, а с ускорением. Ястребы начинают спринт со статического положения или во время медленного полета. Поэтому их спринт должен начинаться почти с нуля. В то время как кречет похож на велосипедиста, который выигрывает гонку на длинную дистанцию за счет максимальнай скорости, ястреб напоминает велосипедиста, который ожидает старта для гонки на 50 метров. Возможно, к финишу он даже не успеет набрать свою максимальную скорость. Следовательно, ему нужно полностью выложиться за короткий промежуток времени, поэтому он не может тратить половину этого времени на бесполезные поднятия крыла, которые не содействуют толчкам. Он решает эту проблему используя эластичные крылья с вырезками на первостепенных, которые не только аккумулируют энергию, но и уменьшают тормозной эффект при взмахе.
При опускании крыла (рис. 1.16.5 а-е), создается толчок и подъем, но крыло очень короткое, что дает грудным мышцам техническое преимущество, кончики первостепенных сгибаются назад к тому месту, где угол их наклона достигает 90 градусов к поверхности крыла по вертикали и по горизонтали (рис. 1.16.5 е). Затем птица начинает создавать тягу своими крыльями, активно используя надлопаточныe мышцы (1.16.5 f). Эластичные первостепенные начинают восстанавливать свою нормальную форму, толкая воздух вниз и назад, что обеспечивает подъем и толчки, а также оказывает помощь надлопаточным мышцам. Теперь крыло на полпути назад и наполовину сложено.Края первостепенных направлены вперед и выровнены с углом падения. В верхней точке взмаха они сходятся вместе и снова обеспечивают толчок при опускании крыла.
При условии активного полета в неподвижном воздухе и на одном уровне мы можем построить приближенныe кривые ускорения для различных хищников. Не имея возможности сравнить данныепо ловчим птицам, я скомпилировал эти кривые из нескольких источников, главным образом из работ Н. J. Slijper и Т. А. М. Jack , а также из собственных наблюдений. Хотя они, возможно, не очень точны для абсолютной скорости, они позволяют получить представление о различии между видами, хотя, конечно индивидуальные различия между птицами весьма значительны.
Обыкновенный сарыч (рисунок 1.16.6) относительно плохо летает активным полeтом. Он медленно разгоняется, имеет небольшую максимальную скорость и вскоре выдыхается. Редко можно увидеть, чтобы сарыч пролетел спритерским полетом более 100 м, очень редко 200 метров. Он скоро начинает отдыхать, планируя между взмахами, на графике это начинается на 40 метрах. При горизонтальном полете он может набрать скорость до 10 мeтpов в секунду, делая около 5-6.5 взмахов в секунду. Немного найдется добычи, которая передвигается достаточно медленно, чтобы сподвигнуть сарыча приложить усилия дольше, чем на 80 метров. Большая часть добычи или будет быстро поймана (например, полевки) или при погоне оставит сарыча 
далеко позади (например, куропатка). В таких случаях сарыч отстает и куда-нибудь садится, в данном случае на 45 метрах.
Мелкие ястребы, такие как перепелятник, напротив, развивают максимальную скорость менее чем за секунду, на первых же метрах. Их взрывной спринт дает им преимущество над всеми другими перечисленными хищниками. Однако немногие сохраняют спринт на предельной скорости больше чем на 100 м. К этому времени полет обычно так или иначе заканчивается, и если он был успешным, то перепелятник примерно через 150 метров садится.
Изучая тетеревятника Slijper обнаружил, что самцы стартуют быстрее, но примерно через 70 метров самки их обгоняют. Встав на крыло, самки летят немного быстрее. Примерно через 130 метров тетеревятники обычно сбрасывают скорость. Если им не удалось поймать жертву в начале спринта, они бросают преследование или летят по инерции, набирая высоту и следя за жертвой.
На первых 20 метрах сапсан летит не намного быстрее сарыча, но на 50 метрах он начинает набирать скорость, примерно на 130 метрах он обгоняет тетеревятника и поддерживает хорошую скорость в течение нескольких сотен метров. При горизонтальном машущем полете на длинной дистанции его, вероятно, обгонит только кречет.
Новозеландский сокол со своим ястребиным профилем и соколиной физиологией, стартует скорее как небольшой самец тетеревятника. К тому времени, когда самка перепелятника пролетит 80 метров, сокол пролетит 100 метров. Примерно к 130 метрам, когда тетеревятник начинает сбавлять скорость, скорость новозеландского сокола остается прежней, но его обгоняет набравший скорость сапсан. К тому времени, когда сапсан достигнет 280 метров, новозеландский сокол будет отставать примерно на 40 метров, и оба исчезнут за горизонтом без признаков усталости.
Ускорение и максимальная скорость у хищников при преследовании должны быть сопоставимы с этими параметрами их жертв. Перепел имеет сходный рисунок полета с перепелятником, фазан с тетеревятником, а голуби (хотя немного быстрее при взлете) как у сапсана. Ястребы быстро бросают сильную, способную к длительному полету добычу, если только не ловят ее на спринте или напав из засады.
Эффект взрывного старта ястребов проявляется в наборе скорости в первые 40 метров. Ястреб Купера, например, обычно делает 4-5.5 взмахов в секунду, а при взлете 7-8 взмахов в секунду, используя грудные мышцы, составляющие около 17% от общего веса тела. Он преодолеет эту дистанцию, когда сарыч и большинство соколов пролетят всего 20 метров. Их мастерство в преодолении дистанции состоит в способности выполнить прямую атаку с лета (см. 6.10) и умении оценить максимальную дистанцию, на которой целесообразно атаковать намеченную добычу. Крупные соколы обычно не предпринимают короткие прямые атаки, а предпочитают более предсказуемые длинные. Сарычи по возможности вообще не используют спринтерский полет, вместо этого они используют высоту, позволяющую атаковать с планирующего полета или спикировать.
Кроме бесконечных преобразований кривых разгона и дистанций атаки, существует проблема маневрености. Здесь наивысшие показатели у ястребов, дербника и новозеландскаго сокола; крупные соколы и ястребы Харриса менее проворны и более громоздки в хвостовой части, чем сарычи. Добыча тоже очень различается по маневрености (см. раздел 7.4). Обычно ценой большей маневрености является меньшая максимальная скорость, длинный хвост способствует верткости, но создает тормозной эффект.
Строение крыльев
Когда и откуда появились крылья у насекомых и как шла эволюция полета этих животных, мы не знаем в точности и сегодня. Одни исследователи полагают, что крылья насекомых ведут свою историю от так называемых трахейных жабр, которые и в настоящее время можно увидеть в виде боковых складок тела у некоторых водных личинок. Другие ученые (их большинство) считают, что к жабрам крылья насекомых никакого отношения не имеют и что возникли они из боковых выростов тергитов (нотумов) груди. Это наиболее распространенная в энтомологии паранотальная гипотеза. Имеются и другие точки зрения на проблему происхождения крыльев.
Не касаясь подробно всех гипотез и связанных с ними рассуждений, отметим лишь, что крылья у насекомых - это не видоизмененные конечности, как у других летающих животных (птиц и летучих мышей), а плоские выросты, точнее, складки, стенки тела, своеобразные придатки двух задних сегментов груди. Эти складки располагаются между тергитом и плейритом и с помощью эластичных мембран подвижно соединяются с особыми склеритами.
Таким образом, еще одна любопытная ситуация: насекомые в отличие от всех других летающих животных приобрели способность к полету, не заплатив за это потерей части своих конечностей.
Хотя крыло насекомого представляется нам цельной пластинкой, в действительности оно двуслойно. При этом верхний и нижний слои разделены очень тонкой щелью, которая составляет продолжение полости тела. В местах залегания трахей и нервов на крыле образуются характерные трубчатые утолщения - жилки, составляющие каркас крыла (рис. 4). Жилки могут быть продольными и поперечными. Их положение отличается исключительной стабильностью, и особенности жилкования используются в систематике насекомых в качестве одного из наиболее существенных признаков. Между жилками располагается эластичная и тонкая кутикула, создающая основную поверхность крыла (поверхность жилок сравнительно мала). Установлено, что различные участки поверхности крыльев выполняют в полете различную функцию.
Крылья многих насекомых исследовала с помощью сканирующего (растрового) электронного микроскопа О. М. Бочарова-Месснер. Ею показано, что на поверхности крыла имеется множество различных микроструктур: желобков, шипиков, чешуек, ребрышек, волосков и т. п. (фото III). Как мы увидим в дальнейшем, некоторые из таких структур являются миниатюрными датчиками, сигнализирующими в центральную нервную систему насекомого о характере движения и положении крыла, состоянии воздушного потока, в котором осуществляется полет насекомого. Однако на поверхности крыла немало и кутикулярных образований, не являющихся органами чувств. Полагают, что эти микроструктуры крыла влияют на его аэродинамические показатели.
Рассматривая строение крыла, необходимо сказать еще об одном интересном образовании, найденном на крыльях насекомых некоторых отрядов. Это образование представляет собой небольшое утолщение кутикулы, имеет темную окраску и располагается вблизи вершины крыла, у его переднего края. Названо оно «краевым глазком» (птеростигмой). Считают, что, по крайней мере, у стрекоз пгеростигма является не чем иным, как приспособлением, устраняющим вредные колебания крыла во время его движений в полете. Не исключено, что проблема флаттера (вибрации крыльев самолетов, ведущих к их разрушению и аварии) в авиации была бы решена значительно раньше, если бы исследователи обратили внимание на маленькое утолщение, созданное природой на крыле насекомого.
Крылья насекомых разных отрядов по форме, размерам, развитию различно функционирующих в полете частей неодинаковы (В ряде случаев неодинаково развиты крылья даже у представителей одного и того же вида насекомых (у самцов и самок). Так, у самки бабочки зимней пяденицы крылья недоразвиты, и насекомое с их помощью летать не может. Рудиментарны крылья и у самок бабочек некоторых других видов (например, у шелкопряда античная волнянка). У самок же бабочек-психей крыльев и вовсе нет. Отсутствуют крылья у самок червецов (полужесткокрылые), всех веерокрылых, австралийских остиннид (перепончатокрылые). Любопытно, что самцы этих насекомых летают, и часто очень хорошо. Такое «неравноправие» в обеспечении крыльями является ярким выражением полового диморфизма. Нужно сказать, однако, что половые особенности насекомых находят свое отражение не только в бескрылости или короткокрылости самок. Так, самки муравьев и термитов имеют вполне нормальные крылья и способны летать, но после оплодотворения сбрасывают их и уже до конца жизни остаются нелетающими. Полная бескрылость характерна для определенных поколений в половом цикле тлей). Значительно различаются насекомые и по манере располагать крылья в состоянии покоя. Некоторые насекомые вообще не умеют складывать крылья и держат их в покое распростертыми в стороны или отведенными несколько кзади. По А. В. Мартынову, это древнекрылые насекомые. Другие крылатые насекомые научились складывать крылья и тем самым приобрели громадные преимущества в борьбе за существование. Ведь, сделав свое тело более компактным, они смогли жить в новых, ранее недоступных им «квартирах»: в расщелинах, под камнями, в толще травы и т. п. Одновременно они получили дополнительные возможности скрываться от врагов. Таких пасекомых А. В. Мартынов назвал новокрылыми. Преимущества насекомых, складывающих крылья, в эволюции оказались настолько значительными, что они практически вытеснили древнекрылых насекомых, из которых в настоящее время сохранились лишь стрекозы и поденки.
Подавляющее большинство летающих насекомых четверокрылы. Двумя крыльями обладают лишь мухи и комары (отсюда название отряда, к которому они относятся,- двукрылые), а также веерокрылые и небольшое число представителей других отрядов, например некоторые поденки. При этом у одних насекомых развились только передние крылья, у других - задние. Интересно отметить, что задние крылья двукрылых превратились в специализированные органы чувств, так называемые жужжальца, играющие важную роль в стабилизации полета и в осуществлении некоторых маневров. У веерокрылых в жужжальца превратились передние крылья.
Однако и у четверокрылых насекомых степень развития передних и задних крыльев далеко не одинакова. Исключение составляют стрекозы, развившие в одинаковой степени обе пары своих крыльев и соответственно мышцы, приводящие их в движение. Этих насекомых Б. Н. Шванвич отнес к двумоторным. Он различал также переднемоторых насекомых, у которых передняя пара крыльев с ее мышечным аппаратом обнаруживает тенденцию к преобладанию над задней (полужесткокрылые, чешуекрылые, перепончатокрылые, многие поденки и др.), и заднемоторных (жесткокрылые, прямокрылые, таракановые и др.), у которых наблюдаются обратные отношения (К переднемоторным насекомым Б. Н. Шванвич относил также двукрылых, а к заднемоторным - веерокрылых, т. е. насекомых, у которых соответствующая пара крыльев подверглась полной редукции. Такие насекомые в этой книге выделены особо)). У заднемоторных насекомых передние крылья обычно более плотные, чем задние, и нередко по совместительству выполняют покровную функцию. У жуков передние крылья целиком превратились в защитные надкрылья (отсюда другое название этого отряда насекомых - жесткокрылые).
Как же взаимодействуют передние и задние крылья в полете? У некоторых, обычно плохо летающих насекомых (исключение - стрекозы!) эти крылья работают независимо друг от друга. Однако у большинства видов обе пары крыльев составляют как бы единое целое, объединяясь функционально за счет нервно-мышечной координации или даже структурно с помощью особых приспособлений - своеобразных крючков (у перепончатокрылых, многих полужесткокрылых) или зацепок другого типа (у некоторых чешуекрылых).
Таким образом, в эволюции полета насекомых наблюдается четко выраженная тенденция: переход тем или иным способом от четверокрылости к двукрылости. Не напоминает ли нам это положение, существовавшее в прошлом и в авиации, когда человек методом «проб и ошибок» пришел к заключению о летных преимуществах монопланов перед бипланами и более многокрылыми конструкциями?
Крыловые мышцы
Как говорилось выше, крыло насекомого лежит на особом выросте плейрита - плейральном столбике, который служит точкой опоры при его движениях. Плейральный столбик располагается почти у основания крыла, и крыло, таким образом, представляет собой двуплечный рычаг с неодинаковой длиной плеч.
Казалось бы, для того, чтобы поднять или опустить крыло, достаточно потянуть его с помощью мышц за короткое плечо вниз или вверх. Однако основные мышцы, обеспечивающие крыловые удары, у подавляющего большинства видов насекомых ничего подобного с крылом не делают, поскольку к нему даже не прикрепляются!
Так, мышцы, опускающие крыло, располагаются между фрагмами тергита. Это так называемые спинные про-» дольные мышцы, развитые у насекомых разных отрядов в разной степени и у хорошо летающих насекомых занимающие почти все пространство грудной полости. Мышцы, поднимающие крыло, располагаются между тергитом и стернитом. Это - дорсовентральные мышцы. И спинные продольные, и дорсовентральные мышцы называются мышцами непрямого действия на крыло, или непрямыми крыловыми мышцами. Чтобы понять, каким образом эти мышцы приводят крыло в движение, не будучи с ним связанными, вспомним об эластических свойствах скелета груди насекомого и посмотрим на рис. 5, где представлены поперечные и продольные срезы груди.
Когда сокращаются дорсовентральные мышцы, тергит, к которому они прикрепляются, слегка опускается, его края тянут вниз основания крыльев, что приводит к подъему крыловой пластинки (рис. 5, а, б). При сокращении спинных продольных мышц наблюдаются обратные отношения: фрагмы сближаются между собой, тергит несколько выгибается (рис. 5, в, г), в результате чего крыло движется вниз. Хотя указанные смещения тергита малы, они благодаря длинному плечу рычага крыла преобразуются во вполне достаточные по амплитуде движения крыловой пластинки.
Помимо крыловых мышц, не связанных с основанием крыла, у насекомых имеются также мышцы, прикрепляющиеся к крылу. Это - мышцы прямого действия на крыло, или прямые крыловые мышцы (рис. 5, д, е). Среди мышц прямого действия следует особо выделить базалярные и субалярные мышцы, которые могут служить как для опускания крыла, так и обеспечивать необходимые для полета вращательные движения (супинацию и пронацию) (Супинация - поворот, при котором передний край крыла обращен вперед и вверх, пронация - вперед и вниз) - скручивания крыла. У некоторых насекомых (чешуекрылых, полужесткокрылых, жесткокрылых) мышцы прямого действия могут также изменять амплитуду крыловых ударов.
Имеются еще у насекомых и так называемые вспомогательные мышцы, влияние которых на полет заключается в контроле эластической отдачи грудного отдела, а также в изменении относительного положения подвижных частей крылоносного сегмента. Наконец, в летательный механизм многих насекомых могут включаться во время полета и некоторые мышцы ног.
Таковы в основных чертах структурно-функциональные отношения, существующие в крыловом аппарате почти всех летающих насекомых. Почти - потому, что крыловой «мотор» стрекоз несколько выпадает из этой общей картины. Дело в том, что спинные продольные мышцы у стрекоз не развиты и основную функцию «одускателей» крыла выполняют мощные мышцы прямого действия на крыло. Подъем же крыла у стрекоз, как и у остальных насекомых, обеспечивают непрямые дорсовентральные мышцы. Любопытно, что такая «нетипичная» конструкция крылового аппарата стрекоз не помешала этим насекомым достичь высокого летного совершенства.
Типы полета
Полет насекомых может рассматриваться с разных точек зрения. Отсюда и различные его классификации. Некоторые исследователи выделяют два основных типа полета: тривиальный (обыденный, или повседневный) полет, связанный с поисками пищи и размножением (Обыденный полет проходит вблизи мест обитания (гнездования) насекомого), и полет во время миграций, связанный главным образом с поисками новых мест обитания. Однако провести четкую границу между обоими типами полета удается далеко не всегда. Но для нас дело даже не в этом. Ведь нас интересует больше всего характер работы крылового аппарата насекомого во время полета, а этот аспект деление полета на обыденный и миграционный как раз и не отражает. Поэтому мы будем придерживаться другой - функциональной классификации.
С функциональной точки зрения полет насекомых может быть активным и пассивным. Активный полет осуществляется за счет энергии мышечных сокращений, пассивный - основан на использовании энергии внешней среды, а также массы тела насекомого (потенциальной энергии, накопленной животным). Рассмотрим сначала основные типы пассивного полета. Их три: парашютирующий, планирующий и парящий.
Парашютирующий полет заключается в том, что насекомое, например поденка, во время роения, набрав нужную высоту, располагает свои крылья определенным образом и, тормозя ими как парашютом, медленно опускается под действием собственной массы. Строго говоря, это даже не полет, а простое замедленное падение, причем в торможении такого падения насекомому могут помогать и другие части тела (у поденок - длинные хвостовые нити). Через некоторое время насекомое снова набирает высоту, потом опять парашютирует и т. д.
Уже на примере парашютирующего полета видно, что активные и пассивные фазы могут чередоваться. Это можно наблюдать и при некоторых других типах полета.
Планирующий полет тоже осуществляется под действием собственной массы насекомого. Им пользуются насекомые, имеющие достаточные по площади крылья,- бабочки, стрекозы. Бабочки, например, разгоняются и затем, прекратив движения крыльями, летят некоторое время по инерции - планируют (Разновидностью планирующего полета может считаться пикирующий полет, свойственный, правда, в большей степени птицам, чем насекомым. Разница между этими двумя типами полета заключается в величине угла, под которым насекомое приближается к земной поверхности. При пикировании этот угол значительно больше, чем при планировании). Здесь также чередуются активные и пассивные фазы полета. Иначе ведут себя многие стрекозы. Они, подобно настоящим планерам, способны не только планировать, медленно теряя высоту, но и подниматься вверх в восходящих токах воздуха. Впрочем, это уже другой тип полета - парящий, и его реализация невозможна без энергии внешней среды.
Существенно отличается от только что описанного парящего полета стрекоз пассивный полет за счет горизонтальных и вертикальных токов воздуха многих мелких насекомых: тлей, мелких двукрылых, бабочек и др. Эти насекомые способны и к активному полету, но полет их настолько маломощен, что при ветре (и даже токах воздуха) они просто дрейфуют и часто на очень большие расстояния - в сотни километров. Теплыми восходящими токами воздуха они «возносятся» на большую высоту и затем летят под воздействием дующих здесь довольно сильных и постоянных ветров. Это один из способов расселения «маломощных» насекомых на значительных территориях. Любопытно, что за счет воздушных течений могут расселяться в некоторых случаях и бескрылые насекомые, а также личинки насекомых, если они обладают малой массой и достаточной парусностью.
Как бы то ни было, в воздухе на высоте 1-2 тыс. м всегда встречается довольно плотный «слой» мелких насекомых, образующих своеобразный воздушный планктон. Этот дрейфующий планктон служит превосходной пищей для птиц.
Переходя к рассмотрению активного способа передвижения насекомых, следует подчеркнуть, что при очень сильном ветре даже насекомые, обладающие мощным активным полетом, превращаются в игрушку стихии и летят совершенно пассивно. Однако нас такие экстремальные случаи интересовать не будут.
Активный полет насекомых осуществляется всегда в форме машущего полета. Для полета этого типа характерны непрерывные движения крыльев (крыловые удары), перемещающие насекомое вперед. Впрочем, стоячий (трепещущий) полет, о котором упоминалось во введении, также является разновидностью машущего полета. Стоячий полет - высший тип летного искусства, и им обладают сравнительно немногие насекомые: некоторые двухкрылые (не только мухи-сирфиды!), пчелы, бабочки. Этим же насекомым, как и подавляющему большинству их собратьев, свойствен, конечно, и поступательный машущий полет. Поэтому в дальнейшем, рассматривая активный полет насекомых, мы будем подразумевать, если это не оговаривается особо, именно этот тип полета.
Однако даже при одном типе полета - машущем - многие важные параметры работы крылового аппарата могут существенно различаться не только у насекомых разных видов, но и у одного и того же насекомого в разные моменты его полета - при взлете, посадке, осуществлении различных маневров. К таким параметрам относятся: частота и амплитуда крыловых ударов, угол наклона плоскости ударов и др. С некоторыми из этих важных характеристик работы летательного аппарата насекомых мы познакомимся в этой и последующих главах.
Скорость полета и частота крыловых ударов
Скорость полета насекомого может быть измерена в двух аспектах: относительно земли (грунта) и относительно воздуха (ветра). Понятно, что при отсутствии ветра обе эти скорости совпадают. Однако в реальной ситуации безветрие встречается сравнительно редко, и скорости полета насекомого относительно ветра и земли могут существенно различаться между собой. Так, например, если насекомое летит со скоростью 10 м/с навстречу ветру, дующему со скоростью 5 м/с, то его скорость относительно ветра будет составлять 15 м/с, а относительно земли лишь 5 м/с. При полете насекомого по ветру скорость животного относительно земли окажется равной 15 м/с, а относительно ветра лишь 10 м/с.
Рассмотрим сначала возможные скорости перемещения насекомых относительно земли в безветрие. Эти скорости тоже различны и могут варьировать у разных видов этих животных от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров в секунду. К сожалению, данные о скорости полета насекомых и о частоте крыловых ударов значительно различаются у разных авторов. И дело здесь не столько в том, что насекомые могут в определенных пределах варьировать эти параметры, сколько в методической сложности их определения.
Нет нужды доказывать читателю, например, что определение скорости полета насекомых с помощью различных вертушек (каруселей), в которых животные закрепляются и летят по кругу, или нитей, прикрепляемых к насекомым и раскручивающихся вслед за ними во время движения, не может быть достаточно точным, какие бы поправки в расчеты при этом ни вводились. С другой стороны, очень трудно измерять скорость полета и частоту крыловых ударов у большинства насекомых в природных условиях. Не касаясь ухищрений, к которым приходится прибегать в этих случаях, приведем сведения, являющиеся, по-видимому, наиболее надежными (табл. 1).
Таковы скорости полета насекомых относительно земли в отсутствие ветра. Понятно, что ветер может вносить существенные коррективы в этот показатель. Однако некоторые насекомые даже несмотря на встречный (но, конечно, не слишком сильный) ветер могут сохранять скорость своего перемещения относительно земли постоянной. Так способен поступать, например, небольшой кровососущий комар Aedes.
В безветрие комарик летит со средней скоростью 47 см/с. При усилении ветра до 33 см/с он увеличивает скорость полета относительно ветра до 49 см/с. В результате, как легко подсчитать, его скорость относительно земли уменьшится лишь до 16 см/с (49 см/с - 33 см/с - 16 см/с), т. е. практически останется постоянной.
Конечно, резервы комара не беспредельны, и при дальнейшем усилении ветра это крошечное создание начинает сдавать. Однако даже при скорости встречного ветра 150 см/с (а это для комара не так уж мало) он все же способен продвигаться вперед.
Способность игнорировать ветер очень наглядно проявляется у насекомых, способных к стоячему полету. При увеличении скорости ветра до определенного предела эти насекомые могут по-прежнему «зависать» над выбранной точкой поверхности земли практически не смещаясь. Таким образом, скорость полета относительно земли они поддерживают постоянной и равной нулю. Понятно, что за счет все более энергичной работы крылового аппарата они должны все время повышать скорость своего полета относительно ветра. Иначе им не компенсировать его усиления.
Игнорирование ветра у насекомых может иметь и более прозаический характер, и при усилении ветра некоторые насекомые просто стараются не взлетать. Так делают, например, многие мухи, и в частности синяя мясная муха. Интересно, что при скоростях менее 0,7 м/с ветер оказывает даже стимулирующее действие на мух и число взлетающих особей увеличивается. При дальнейшем увеличении скорости ветра число взлетающих особей уменьшается в несколько раз.
Однако если ветер не очень сильный, насекомые летают и летают нередко весьма быстро. За счет чего же эти животные достигают таких высоких скоростей? Главным образом за счет большой частоты работы летательного аппарата (табл. 2).
Как видно из таблицы, это особенно справедливо для мелких форм, имеющих соответственно и маленькие крылья (см. нижние строки правого столбца таблицы). Напротив, более крупные насекомые, например многие бабочки и стрекозы, площадь крыльев которых достаточно велика (Площадь крыльев у стрекоз и бабочек может составлять несколько тысяч квадратных миллиметров, у мух - несколько десяти ков, у комаров - лишь несколько квадратных миллиметров), способны достигать в полете высоких скоростей и при значительно меньшей частоте крыловых биений. Однако даже самые крупные насекомые - миниатюрные создания по сравнению с другими летающими животными (за исключением, пожалуй, лишь птицы колибри). Поэтому, учитывая размеры тела насекомых, следует считать эффективность работы их летательного аппарата исключительно высокой.
Дальность полета и некоторые другие его характеристики
Максимально возможная дальность беспосадочных перелетов насекомых в точности не известна. За ними трудно следить, кроме того, практически все насекомые никогда не стремятся ставить в этом отношении рекорды, и в обыденной жизни без отдыха преодолевают сравнительно небольшие расстояния. Ясно одно: без посадки разные насекомые могут преодолевать различные расстояния.
Комнатная муха, например, как уже говорилось во введении, в своей обычной жизни - спринтер: в условиях комнаты она пролетает всего несколько метров и потом норовит опуститься. Если муху все время лишать возможности совершать посадку, то она сможет пролететь несколько сот метров. Сколько бы она пролетела сама, если бы захотела продемонстрировать в этом отношении свое мастерство, мы не знаем (Не исключено, что комнатные мухи способны к миграционному полету).
Но вот данные, приводимые В. Н. Беклемишевым о другом двукрылом - малярийном комаре, показывают, что это насекомое легко преодолевает без посадки около 3 км. Примерно в этих же пределах, по наблюдениям пчеловодов, совершают свои полеты за нектаром и пчелы. Но если учесть, что обратно в улей пчела летит с нагрузкой, то становится очевидным, что у этого насекомого имеется возможность налегке совершать и более значительные перелеты.
Установлено, что многие стрекозы и бабочки (например, бражники) способны без отдыха преодолевать многие сотни километров. Во всяком случае, стрекоз видели в Карибском море на расстоянии около 550 км от ближайшей суши. О рекордах дальности беспосадочных перелетов саранчи читатель сможет узнать в главе 4.
Такие огромные расстояния насекомые оказываются способными преодолевать за счет ничтожного расхода «горючего» в полете. Любопытные расчеты, демонстрирующие энергетические преимущества полета перед другим локомоторным актом насекомого - ходьбой, приводят немецкие исследователи Е. Шольце, X. Пичлер и X. Херан. По данным этих авторов, полет пчелы на 78 м по затратам энергии эквивалентен всего лишь 3 м ходьбы. Иными словами, полет этого насекомого оказывается экономичнее в 26 раз!
Аэродинамика полета и кинематика крыльев
Понятно, что высокая эффективность и экономичность работы летательного аппарата насекомых не могла бы осуществляться без совершенной аэродинамики этих животных. Поэтому мы должны сейчас, хотя бы в самых общих чертах, коснуться и этого вопроса. Для знакомства с некоторыми аэродинамическими показателями рассмотрим сначала наиболее простой случай и предположим, что насекомое не машет крыльями, а, набрав определенную скорость, летит по инерции с распростертыми крыльями на одной и той же высоте.
Каждое крыло насекомого при этом не располагается строго горизонтально, а как бы несколько разворачивается в направлении движения (рис. 6). Угол наклона крыла (или, точнее, хорды крыла, поскольку крыло не обязательно имеет плоскую форму) к направлению набегающего на него потока воздуха носит название угла атаки (а). Совокупность аэродинамических сил, действующих на движущееся в воздухе крыло, их результирующая (R), называется полной аэродинамической силой, или полным аэродинамическим сопротивлением. По известному правилу параллелограмма сил ее можно разложить на две составляющие: подъемную силу (Y), направленную вверх и стремящуюся поднять крыло, и силу лобового сопротивления (Q), перпендикулярную ей и тормозящую движение.
Подъемная сила (Y) создается за счет разностей скоростей потока около верхней и нижней поверхностей крыла (сверху скорость больше). При этом, согласно уравнению Бернулли, крыло сверху будет испытывать меньшее давление, чем снизу, в результате чего и создается сила, направленная вверх. Если Y будет меньше массы насекомого (G) - животное начнет снижаться, терять высоту. Если сила тяги (T) окажется меньше лобового сопротивления (Q) - произойдет торможение полета и т. д. Таким образом, чтобы насекомое могло лететь горизонтально, необходимо соблюдение следующих условий: масса тела насекомого (G) должна уравновешиваться подъемной силой (Y), а лобовое сопротивление (Q) - силой тяги (T). Варьируя угол атаки крыла, можно менять соотношение между Y и Q.
Все, о чем мы до сих пор говорили, в принципе справедливо для любого стационарно расположенного в потоке воздуха крыла, в том числе и для крыла самолета. Естественно, что в авиации всегда стремятся увеличить полезную подъемную силу и уменьшить вредное лобовое сопротивление. Для уменьшения Q есть два пути: создание максимально гладкого крыла («зализывание» его поверхности) и предельно допустимое уменьшение угла атаки (существуют критические углы, иначе самолет может сорваться в штопор).
Тут сразу выявляются существенные различия между крылом насекомого и крылом самолета. Игнорируем пока тот существенный факт, что крылья насекомых работают в полете всегда при больших углах атаки: здесь ситуация другая - машущий полет! Но вот что поразительно для любой ситуации: крыло насекомого как бы нарочно создано «антиаэродинамическим»! Вспомним его строение: оно покрыто различными волосками, чешуйками, гребешками и другими образованиями. Многие из этих образований являются органами чувств. Это, так сказать, «зло» неизбежное, поскольку крыло насекомого - живое образование и без датчиков обходиться не может. Но ведь на поверхности крыла имеется и масса структур, не несущих рецепторной функции. Для какой же цели они существуют?
Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, нам придется познакомиться с одпой из важнейших летных характеристик - числом Рейнольдса. Это безразмерная величина, выражающаяся дробью, в числителе которой находится произведение скорости движения жидкости относительно тела на некоторую длину, а в знаменателе - кинематическая вязкость жидкости. В нашем случае это будет произведение размаха крыла на скорость его перемещения, деленное на кинематическую вязкость воздуха (она равна 0,14 см2/с).
Было подсчитано, что если число Рейнольдса у исследуемого объекта меньше 2200, то около его поверхности создается ламинарное течение, при котором отдельные струйки идут параллельно, не перемешиваясь. Если число Рейнольдса больше 2200, возникает турбулентное - вихревое (с перемешиванием слоев) - течение. Чем выше значения чисел Рейнольдса, тем интенсивнее завихрения вблизи крыла, тем больше возникает затруднений движению вперед.
Крылья современных самолетов работают при значениях чисел Рейнольдса 106 и выше, а крылья насекомых, так как они меньше по размерам и движутся относительно воздуха медленнее,- при малых числах Рейнольдса. Для пустынной саранчи, например, это число составляет 2000, а у дрозофилы и тото меньше - 200. Казалось бы, чего лучше: никаких завихрений, но при ламинарных течениях, которые образуются при малых числах Рейнольдса, в пограничном слое крыла существует опасность так называемых ламинарных отрывов.
Интересные опыты были проведены с крыльями дрозофилы, которые обдували в аэродинамической трубе. Оказалось, что при углах атаки от 20 до 50° подъемная сила крыла этого насекомого оставалась практически постоянной. Однако замена крыла его моделью с тем же числом Рейнольдса, выполненной из магнитной ленты, приводила к отрыву потока при угле атаки всего в 25°.
Остается заключить, что все эти особенности поведения крыла насекомого как-то связаны со структурными образованиями, имеющимися на его поверхности. По мнению ряда исследователей (С. Фогель, Н. В. Кокшайский), волоски и щетинки могут являться своеобразными турбулизаторами, создающими микровихри. Они, таким образом, могут контролировать течение воздуха в пограничном слое крыла и способствовать бессрывному его обтеканию. Не исключено также, что у некоторых насекомых, например у поденок, отрыву пограничного слоя в полете препятствует и гофрировка крыла (Складки крыла, образующиеся при его гофрировке, являются своеобразными каналами, по которым отводится часть обтекающего крыло воздуха, чем уменьшается толщина пограничного слоя (остальную его часть удержать легче)), характер которой может к тому же меняться в разные моменты удара, как установил это А. К. Бродский.
Однако ни щетинки и волоски, ни гофрировка не могут исправить еще одного существенного аэродинамического недостатка крыла насекомого с малой величиной числа Рейнольдса. Если число Рейнольдса меньше 100 - начинает возрастать коэффициент лобового сопротивления. Как же мелкие виды могут увеличить область чисел Рейнольдса, в которой работают крылья?
Понятно, что они не в состоянии увеличить величину своего крыла и кинематическую вязкость воздуха. Остается единственный путь: повысить, сколь возможно, скорость движения крыла относительно воздуха. Именно так и поступают мелкие насекомые, максимально увеличивающие ритм крыловых биений (см. табл. 2). При этом увеличивается и скорость перемещения самого насекомого и, таким образом, сразу решаются две задачи.
Заговорив о крыловых ударах насекомых, мы подошли к наиболее принципиальному различию, которое существует между крыльями самолета и крыльями насекомого,- способам создания положительных аэродинамических сил во время полета. Когда летит самолет, его крылья, расположенные неподвижно, создают подъемную силу, а вперед его влечет пропеллер. У насекомых нет пропеллера, и крыльям этих животных приходится выполнять две функции: удерживать тело насекомого в воздухе (создавать подъемную силу) и двигать насекомое вперед (создавать силу тяги). В рассмотренном на с. 37 случае насекомое просто летело за счет накопленной ранее скорости. Каким же образом оно создает силу тяги?
Предположим, что крыло, изображенное на рис. 6, начнет двигаться вниз. Выберем какой-нибудь момент в этом движении (рис. 7) и рассмотрим, какие силы действуют на крыло теперь. Полную аэродинамическую силу R опять разложим по правилу параллелограмма на составляющие: подъемную силу крыла, обозначив ее Y1, и его лобовое сопротивление - Q1. Обратим внимание на то, что движение крыла и движение всей системы - летящего насекомого - на протяжении почти всего удара здесь уже не совпадают по направлению. Поэтому, если мы захотим узнать, какие силы действуют не на крыло как таковое, а на все насекомое как летящий объект (а именно это для нас и важно), мы вынуждены будем разложить результирующую R иначе. Составляющие теперь будут действовать следующим образом: одна - не по движению крыла, а в направлении движения системы (насекомого), другая - не по нормали к крылу, а по вертикали. Так мы получим подъемную силу Y и силу тяги Т: Y по-прежнему будет уравновешиваться массой насекомого (G),T- лобовым сопротивлением всей системы (Q).
Такой анализ помог бы нам понять, что происходит при машущем полете насекомых, если бы крылья этих животных двигались подобно веслам (о других трудностях мы поговорим ниже). Однако исследования последних лет показали, что сравнение движений крыла насекомого во время его работы с движениями весла весьма мало напоминает реальную ситуацию, а название машущего полета «гребной», как это было принято еще сравнительно недавно в учебниках энтомологии, неправильно. И если уж с чем-то сравнивать, то скорее можно провести аналогию с работой пропеллера самолета. Да и в этом случае общего не так уж много.
Рассмотрим в самых общих чертах движения крыла насекомого относительно его корпуса. Возьмем некое «усредненное» и для простоты двукрылое насекомое, поскольку ясно, что движения крыльев у разных видов могут существенно различаться между собой. Представим себе, что крыло насекомого находится в верхней точке взмаха и под действием мышц-депрессоров начинает опускаться вниз. Своей поверхностью оно «давит» на воздух, создавая основную подъемную силу и небольшую силу тяги (передний край крыла при движении вниз расположен несколько ниже заднего). Если бы крыло загребало воздух аналогично веслу, то именно здесь создавалась бы максимальная сила движения, чего, как показывают наблюдения, на самом деле нет.
Чтобы обеспечить необходимое поступательное движение, насекомое делает иначе: приводя в действие прямые (плейральные) мышцы, оно выносит свое крыло вблизи нижней точки удара косо вперед и поворачивает его вдоль продольной оси, как бы ставя на ребро передним краем кверху. Затем в результате комбинированного действия дорсовентральных и плейральных мышц крыло отводится вверх и назад - к позиции, с которой мы начали наш анализ.
За счет описанного «пропеллерообразного» движения крыла и создается основная сила тяги. Все фазы цикла осуществляются чрезвычайно стремительно и могут занимать у насекомых некоторых отрядов лишь тысячные доли секунды. В результате быстрой работы крылового аппарата подъемный и пропеллирующий эффекты как бы сливаются в единый аэродинамический эффект, поддерживающий тело насекомого в воздухе и движущий его вперед. Но такова лишь самая общая схема. А теперь, чтобы убедиться, насколько все сложнее в действительности, рассмотрим два примера, иллюстрирующих характер движения крыльев реальных насекомых - поденки и мухи-формии (кинематика крыльев саранчи дается в главе 5). Начнем с более примитивно летающего насекомого - поденки.
В начале этой главы говорилось, что поденка во время брачного полета в рое поднимается на определенную высоту, а затем медленно парашютирует. Но это же насекомое способно и к обычному для других видов горизонтальному полету. О таком полете и пойдет речь.
Посмотрите на рис. 8, где приводятся в двух проекциях - спереди и сбоку - основные моменты движения крыловой пластинки поденки. Согласно исследованиям А. К. Бродского, движение крыла вниз этого насекомого начинается с пронации, которая уменьшается в середине удара и резко увеличивается в его конце (У всех других изученных насекомых пронация к концу удара вниз постепенно сменяется супинацией, необходимой для последующего взмаха). Угол атаки крыла в процессе пронации меняется весьма значительно: па пути от середины до нижней точки удара он становится больше на 15°. В результате основная подъемная сила у поденки создается в середине удара вниз, а сила тяги - в конце удара. Иными словами, при движении крыла вниз создаваемые им аэродинамические силы положительны. Поскольку в нижней точке удара пронация крыла поденки, как мы видели, максимальная, движение крыла вверх насекомое вынуждено начинать с резкой его супинации. При этом поверхность крыла располагается почти перпендикулярно направлению полета поденки. По мере дальнейшего движения вверх супинация крыла постепенно уменьшается. Аэродинамический эффект на основном участке пути крыла вверх нейтрален или даже отрицателен. Это не относится, однако, к самому началу подъема крыла, когда, как и в его нижнем положении, создается сила тяги.
Все сказанное позволяет заключить, что траектория движения крыла поденки должна выглядеть достаточно сложной. Вот, например, какую фигуру описывает вершина крыла относительно тела этого насекомого, если смотреть на крыло сбоку (рис. 9, I) и спереди (рис. 9, II).
Еще более сложна кинематика крыла другого насекомого - мухи-формии. На рис. 10 приведена траектория движения ее крыла относительно тела и воздуха. Кстати, анализируя характер движения крыла формии, В. Нахтигаль показал, что частично подъемная сила у насекомого может создаваться даже при движении крыла вверх в начале взмаха. Вот, например, как этот автор раскладывает уже известные нам силы, действующие на крыло в различные фазы крылового цикла (рис. 11). Изображение мухи с поднятыми крыльями символизирует начало крылового удара, с опущенными - его окончание. Представлены четыре последовательные стадии цикла, причем результирующая сила изображена штриховой линией, снабженной двойными стрелками.
Из приводимых В. Нахтигалем схем можно, по-видимому, заключить, что на I стадии движения крыла вниз угол атаки и лобовое сопротивление оказываются сравнительно небольшими, поэтому подъемная сила должна создаваться хорошая и равнодействующая обеих сил будет направлена более или менее вертикально. На II стадии крыло начинает разворачиваться, угол атаки становится равным почти 90°, лобовое сопротивление резко возрастает, а подъемная сила уменьшается (она может, впрочем, оставаться еще значительной, если крыло формии ведет себя при больших углах атаки аналогично крылу дрозофилы). Равнодействующая здесь все же направлена вверх. Интересно, что возрастающее в эту стадию цикла лобовое сопротивление может быть и полезным - способствовать торможению крыла и остановке его в нижней точке удара. На III стадии крыло уже поднимается, и воздушный поток набегает на другую его поверхность - дорсальную. Равнодействующая направлена на этой стадии вперед. Наконец, на IV стадии поток снова набегает на вентральную поверхность крыла, а равнодействующая теперь идет назад и вниз (при этом она может помогать торможению крыла в конце его движения вверх).
Таким образом, не исключено, что аэродинамические силы, возникающие во время крыловых движений, оказываются важными не только для поддержания тела насекомого в воздухе и перемещения его вперед, но и для торможения крыла в верхней и нижней точках крылового удара. Существенную роль во время крыловых ударов могут играть, как мы увидим ниже, и эластические компоненты груди насекомого.
Однако как бы впечатляюще ни выглядели схемы разложения сил, действующих на крыло насекомого в разные стадии цикла, нужно иметь в виду, что в данном случае для анализа используется аппарат классической аэродинамики. А классическая аэродинамика имеет дело со стационарными моделями, Но можно ли машущий полет насекомых отнести или хотя бы свести к разряду стационарных?
В самом деле, скорость движения крыла насекомого даже во время установившегося полета в разные стадии цикла не является постоянной: она уменьшается до нуля в верхней и нижней точках удара, причем направление движения крыла в этих точках меняется на противоположное. Удар вверх, по крайней мере, у некоторых насекомых, осуществляется быстрее, чем удар вниз. Результирующая скорость движения крыла при машущем полете складывается из поступательной и колебательной, а само движение крыла на протяжении большей части крылового цикла не совпадает даже по направлению с движением всей системы (летящего насекомого). Далее, при машущем полете в разные фазы крылового цикла меняется (и весьма существенно!) угол атаки, а соответственно и аэродинамические силы, действующие на крыло. Более того, даже в одну и ту же фазу углы атаки разных сечений крыла оказываются различными. Весьма своеобразны (и далеко не изучены!) явления, протекающие в пограничном слое машущего крыла. Совершенно различны вихревые дорожки, образующиеся за неподвижным и машущим крылом…
Таким образом, когда мы берем не неподвижное, а движущееся по сложной траектории крыло, которое к тому же еще меняет профиль в разные фазы цикла, мы приходим к заключению, что многие константы для стационарного крыла здесь вдруг становятся переменными (углы атаки, установочные углы и др.). С другой стороны, при машущем полете появляются новые величины и зависимости, которые необходимо изучать и учитывать: частота ударов и их амплитуда, ускорение, которое приобретает крыло в разные фазы цикла, и т. д.
К сожалению, теории машущего полета насекомых еще нет, и вряд ли из-за многочисленных трудностей такая теория в ближайшие годы будет создана. Поэтому многие исследователи, изучающие полет насекомых, пытаются хотя бы приблизительно все же свести нестационарные полетные ситуации к последовательности стационарных ситуаций. Так поступал, например, известный специалист по аэродинамике полета саранчи и некоторых других насекомых Т. Вейс-Фо. Интересно, что некоторые аэродинамические показатели, вычисленные по правилам классической аэродинамики (например средняя подъемная сила и средняя сила тяги), у ряда насекомых прекрасно совпадают со значениями этих величин, полученными в прямом опыте на насекомых, прикрепленных к аэродинамическим весам и «летящих» в ветровом потоке. Чем объясняются эти противоречащие всем нашим, казалось бы, убедительным рассуждениям совпадения, мы пока не знаем.
- Любимые детские персонажи: Соник и его команда
- Эргономические требования к рабочему месту Требования к рабочему месту финансиста
- Презентация к уроку ИЗО «Русская прялка
- Конспект занятия «История создания стекла Что же представляет стекло с точки зрения физики и химии
- Оператор ЭВМ (электронных вычислительных машин)
- Должностная инструкция сток-менеджера
- Виды и размеры государственных субсидий для малого бизнеса
- Разработка проектной документации
- "Аграрная реформа Столыпина" презентация к уроку по истории (11 класс) на тему Причины неудачи реформы
- Проект "Пишем письмо Дед Морозу" презентация к уроку (2 класс) на тему Составление письма деду морозу презентация
- Направление на предварительный (периодический) медицинский осмотр (обследование): инструкция заполнения, бланк
- Нужны ли печати в декларациях?
- Как оформить перенос отпуска по инициативе работника?
- Модернизация основных средств - бухгалтерский и налоговый учет Используется новое модернизированное оборудование а
- Договор поставки с условием выплаты ретробонусов
- Конспект занятия «Перелетные и зимующие птицы Конспект занятия перелетные птицы в старшей группе
- Положение о скидках на предприятии, образец
- Приказ о дисциплинарном взыскании: образец Куда подшиваются приказы о дисциплинарном взыскании
- Положена ли компенсация директору при его увольнении новыми собственниками Приказ об увольнении
- История добычи нефти и мировой нефтяной промышленности