A rovarok repülése a tudomány számára
A rovarok lebegő repülése az aerodinamikai hatások kombinációjából adódik, amelyet egy modell a hasonlóság törvényeinek felhasználásával derített ki.
1934-ben, Le vol des Insectes című könyvének bevezetőjében Antoine Magnan entomológus így írt: „Először is a légi közlekedésben végzett tevékenységektől vezérelve a rovarokra a légellenállás törvényeit alkalmaztam. Levegő, és az asszisztensemmel jöttem. André Sainte-Lagüe arra a következtetésre jutott, hogy repülésük lehetetlen. " Ez az elhamarkodott következtetés valószínűleg azon a tényen alapult, hogy a drón szárnyainak elméleti maximális emelése alacsonyabb, mint a súlya.
Az emelés a testre kifejtett erő, amely merőleges a mozgásának irányára vagy az áramlásra, amelyben elmerült. Ezt az emelést általában egy repülőgép szárnyára számolják: a szárny ívelt alakja megköveteli, hogy a felső része felett a levegő áramlásának sebessége nagyobb legyen, mint az alsó rész mentén. A Daniel Bernoulli által a 18. században felfedezett elv szerint a folyadék sebességének növekedésével a nyomás csökkenése jár: a szárny alatt nagyobb a nyomás, mint fent, a tolóerő felfelé emel (lásd 6. ábra). ).
1934 óta a mérnökök és a matematikusok előrehaladást értek el, és elegendő tudást szereztek az utasok százainak szállításához szükséges repülőgép-szárnyak, például az Airbus A380 szárnyainak kifejlesztéséhez. Ezeknek a repülőgépeknek a kialakítása az állékonyság elvén alapszik, hogy a szárnyak körüli légáramlás és az ebből fakadó erők az idő múlásával stabilak legyenek.
Nem ez a helyzet a rovarokkal, amelyek repülése már régóta rejtély, mert ezek az állatok másodpercenként 20-600 alkalommal csapkodnak és szárnyakat fordítanak. Az aerodinamikai erők és a légáramlatok folyamatosan változnak, és bonyolítják az elemzéseket, a matematikát és a kísérleteket.
A légy lebegő repülésének fizikájának megértése érdekében kidolgoztunk egy kísérleti berendezést (lásd a 3. ábrát). Egy két tonna olajtartályban óvatosan megver egy 60 centiméter széles szárny. Hat számítógép által vezérelt motor hajtja a szárnyakat a folyadék felkavarásával, és olyan mozgást hoz létre, amelyet a tartályba befecskendezett légbuborékok milliói tárnak fel. Az egészet lézersugarak világítják meg és videokamerák filmezik, miközben az érzékelők folyamatosan rögzítik a szárnyakra gyakorolt erőket.
A szárnyak mozgását 1000-szer lassabb sebességgel és százszor nagyobb skálán utánzó mechanikus rovarnak köszönhetően megértettük, hogy a légy hogyan használja az örvényeket, a késleltetett istállót, a szárnyak körüli légkeringést és az ébrenlét befogását. Részletezzük részletesen ezeket a jelenségeket, amelyek a rovarok számára olyan könnyűek a repülés során.
Szárnyak susogása
A mozgó rovarok szárnyai leggyakrabban elmosódott képként jelennek meg, így a rovarok repülése nem hasonlít a repülőgépekéhez. A rovar szárnyait nem egyszerű függőleges rezgés animálja: mindegyik szárny vége erősen ferde ovális görbét követ. Ezenkívül a szárnyak minden egyes szárnynál megváltoztatják az irányt: a szárny felső felülete felfelé, amikor a szárny leereszkedik, és lefelé, amikor felemelkedik.
A rovarrepülés elemzésének első kísérletei ezekre a bonyolult mozgásokra alkalmazták az álló aerodinamika törvényeit, a repülésben általában alkalmazott törvényeket. Ezek a megközelítések azonban kevésbé voltak naivak, mint amelyek a drón repülésének első számításaihoz vezettek, mert figyelembe vették a szárnyak sebességének időbeli változását.
Képzelje el, hogy lefagyasztjuk a rovar szárnyát az egymás utáni pozíciók mindegyikében, amelyet az ütés során el kell végezni, hogy a szélcsatornában reprodukáljuk az egyes helyzeteknek megfelelő áramlást és megmérjük a hozzá kapcsolódó emelést. Ha az álló elmélet helyes lenne, az összes helyzethez tartozó erők összeadásával kiszámított átlagos erő felfelé irányulna, és megegyezne a rovar súlyával.
Az 1970-es évek végén az aerodinamikusok kételkedtek ennek az elemzésnek a relevanciájában, az 1980-as évek elején pedig a rendelkezésre álló adatok alapján Charles Ellington amerikai fizikus arra a következtetésre jutott, hogy a helyhez kötött megközelítés nem tudja megmagyarázni az érintett erőket. A szárnyak ütemét szabályozó nem stacionárius áramlási mechanizmusok még felfedezésre várnak.
A sebesség és a nyomás folyadékban való eloszlását a Navier-Stokes egyenletek szabályozzák, amelyeket az 1800-as évek elején fogalmaztak meg. Egy alacsony sűrűségű folyadékban, mint a levegő, a szárny bonyolult mozgása megnehezíti ezen egyenletek megoldását, még a leghatékonyabb számítógépek.
Mivel az adatfeldolgozás és az elmélet erőtlen, mérhetünk-e közvetlenül a rovarra az ütemek hatására bekövetkező aerodinamikai erők? Több csapat is belement a feladathoz, de a szárnyak kis mérete és nagy sebessége megnehezítette a méréseket. Ezenkívül az élő rovarokra végzett erőméréseket óvatosan kell szemlélni, mivel a fogságban tartott állatok viselkedése eltér a szabadon élő állatok viselkedésétől.
A hasonlóság szépségei
E nehézségek kiküszöbölésére a mérnökök a hasonlósági tulajdonságokat használják, amelyek lehetővé teszik a valós tárgy körüli áramlás összekapcsolását egy modell körüli áramlással, amelyet könnyebben kezelhet és tanulmányozhat egy szélcsatornában. Fejjel lefelé a világ: míg a repüléstechnikai mérnökök nagyméretű modelleket készítenek, addig azoknak, akik rovarrepülést tanulnak, kibővített modellekre van szükségük.
Késleltetett lemorzsolódás
1992-ben a tübingeni Max Planck Intézet munkatársaival, Karl Götzzel együtt szárnyas modellt építettünk, amely egy öt centiméter széles és 20 centiméter hosszú, "motoros motorral összekapcsolt" lapátból áll, egy nagy kád cukorszirupban. Ez a méret- és viszkozitásnövekedés, az ütemsebesség csökkenésével kombinálva, a fúróberendezésnek ugyanazt a Reynolds-számot adta, mint egy légyszárnynak.