Что будет, если оторвать бабочке половину крыльев? Этот вопрос, достойный максимум первоклассника, стал ключевым в новом исследовании ученых из США. Вся разница между ними и хулиганом Васей Пупкиным из 1-го А в постановке задачи, а вовсе не в проведении эксперимента.
Адаптационные преимущества, выработанные бабочками много миллионов лет назад, сделали их очень яркими и заметными издалека существами, привлекающими внимание. Обычно такую окраску имеют живые организмы, вырабатывающие сильный яд, губительный для хищников, или организмы, намеренно изображающие из себя ядовитых. Бабочки к ядовитым не относятся, а вопрос о мимикрии под несъедобных насекомых до сих пор остаётся предметом спора.
Однако наряду с эффектным внешним обликом бабочки обладают еще одним свойством: даже если вы её заметили, это еще не значит, что вы тут же её поймали. Бабочки не летают быстро и не летают высоко, однако для их поимки и юннаты, и ветераны энтомологии используют большие сачки.
Статья, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, очень наглядно показывает, за счет чего они этого добиваются. Всё благодаря задней паре крыльев.
Летучие мыши слишком массивны, чтобы размах их крыльев позволял им летать так же, как птицам.Как оказалось, они летают, как насекомые. Шведские учёные показали, что, как и шмели, которые, казалось бы, летать тоже не должны, летучие мыши для полёта используют вихри, которые сами и создают движением крыльев.
Загадка полета шмелей уже продолжительное время волновала ученых. Как оказалось, рукокрылые освоили непростой аэродинамический трюк и обрели возможность медленного полета, который, как предполагалось ранее, был доступен лишь насекомым. Острый передний край перепончатого крыла разрезает воздух при полете таким образом, что над крылом создается воздушный вихрь, который обеспечивает примерно 40% подъемной силы, создаваемой взмахами.
Как говорит автор исследования Андерс Хеденстрём из университета города Лунд в Швеции, непростая геометрия взмаха крыла летучей мыши позволяет объяснить, наконец, каким образом этим существам удается летать с низкой скоростью. Работа учёных опубликована в последнем номере Science.
Прежде такой эффект воздушного вихря уже был показан для полета шмеля, который по своим аэродинамическим характеристикам способностью к полету не должен бы обладать вовсе. Тем не менее отрыв от земли дается ему без труда, и помогает в этом именно формирование вихрей. В то же время ученые не могли ожидать, что кто-то, кроме насекомых – сравнительно легких и обладающих огромной скоростью взмахов крыльев, – сможет повторить такой трюк.
Чтобы доказать нетривиальность полета летучей мыши, Хеденстрём заснял на пленку зверька, который питался нектаром, заботливо размещенным шведским естествоиспытателем в аэродинамической трубе. Ученый заполнил трубу дымом и освещал сцену короткими импульсами лазера в те моменты, когда животное зависало в воздухе и интенсивно махало крыльями. Такой стробоскоп позволил запечатлеть отдельные вихри взбитого взмахами дыма, которые и помогли в итоге Хеденстрёму понять, каким образом происходит движение воздуха в окрестности крыла летучей мыши.
Кстати, стробоскопический метод изучения механизма полета уже позволил ученым показать, что летучие мыши летают вовсе не так, как пернатые птицы, однако был недостаточно совершенен и не позволил выявить ключевого момента формирования воздушного завихрения.
В своем новом эксперименте команда шведских исследователей нацелилась именно на область воздушного пространства над крылом летучей мыши.
Как оказалось, в первой фазе взмаха крыла его движение происходит в равной степени в направлении полета (вперед) и вниз, при этом передняя кромка крыла оказывается наклонена под острым углом к направлению движения. Для насекомых была прежде продемонстрирована точно такая же аэродинамика полета.
В результате над крылом образуется достаточно мощный воздушный вихрь, который перемещается вплотную к крылу на протяжении всей первой половины взмаха, пока крыло опускается вниз. Для того чтобы сохранить короткую дистанцию между воздушным завихрением, мышь совершает очень тонкие движения крылом во время взмаха, каким-то трудно уловимым способом изменяя кривизну своего крыла.
В итоге подъемная сила взмаха увеличивается почти вдвое.
В комментарии к работе шведов голландский ученый Йон Вильдер отметил, что идея использования животными воздушных вихрей для полета обсуждалась довольно давно и была обоснована при помощи различных математических моделей не только для насекомых и летучих мышей, но и для некоторых птиц, в частности, стрижей. Тем не менее Вильдер рад появлению первой работы, которая сумела показать механизм «вихревого полета» на примере живого существа. Вильдер также не забыл подчеркнуть, что медленный полет и порхание – куда более сложная техническая задача для животных и использование кривизны крыла для формирования вихревых потоков является неоспоримым преимуществом перед традиционным полетом, осуществляемым исключительно за свет частоты взмахов.
Хеденстрём намерен продолжить свои эксперименты с другими видами летучих мышей и некоторыми птицами, а также получить более детальную картину полета, для чего уже спроектировал модернизированную установку, позволяющую делать кадры киносъемки в дымной аэродинамической трубе с вдвое большей частотой, чем прежде. Он ожидает, что механизм вихревого полета может быть обнаружен у ряда других созданий, однако все же рассчитывать на такой способ парения в воздухе у крупных животных не приходится – им необходима совершенно невероятная скорость взмахов крыльев.
Практическая важность данных работ также очевидна – в дальнейшем они могут привести к созданию небольших автономных летательных аппаратов-роботов, способных зависать в воздухе. Однако для начала придётся разобраться в тех самых тонких движениях, которые совершает летучая мышь, чтобы удержать вихрь на поверхности крыла. «Газета» будет следить за тем, принесет ли пользу этот очередной опыт копирования человеком достижений природы.
Исследования полета бабочек показали, что, хотя передние и задние крылья их механически скреплены друг с другом, основная нагрузка в полете все же ложится на переднюю пару. Сложно сказать, кто из соавторов статьи первым это обнаружил — Томас Эйснер, энтомолог из Корнельского университета, или его коллега Бенджамин Янсен, философ из Университета имени Карнеги и Мелонов, однако
авторы честно признались, что вдохновил их на работу полет наполовину обескрыленной бабочки.
Взяв для серьезного эксперимента несколько особей чешуекрылых, ученые приступили к обстоятельным научным изысканиям. В их задачу входило не только качественно, но и количественно определить отличия в полете нормальных и лишённых задних крыльев особей бабочки капустницы и мотылька непарного шелкопряда. Возражения «зеленых», вечно кричащих о негуманном отношении к животным, авторам публикации были не страшны: обе бабочки считаются вредителями, на борьбу с которыми ежегодно тратятся огромные средства.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 1,
"picsrc": "Нормальные бабочки, и бабочки с аккуратно подрезанными задними крыльями // National Academy of Sciences",
"repl": "<1>:{{incut1()}}",
"uid": "_uid_2861129_i_1"
}
Сравнивая траекторию полета нормальных особей и бабочек с подрезанными крыльями, ученые отмечали частоту взмахов, считали среднюю скорость и ускорение, а также нормальное ускорение по отношению к траектории полета.
Все бабочки с подрезанными крыльями оказались способны к продолжительному полету, им оказалось по силам преодоление больших расстояний и долгое парение в воздухе.
Однако после удаления задних крыльев ученые заметили замедление полета бабочек.
Перейдя к набору количественных характеристик полета, ученые отметили снижение всех параметров: бабочки сохранили способность поддерживать направление перемещения и зигзагообразность траектории, разворачиваться в воздухе и лавировать, однако без задних крыльев все эти операции чешуекрылым пришлось проделывать намного дольше. В итоге их маневренность и способность уходить от хищника существенно пострадали.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 2,
"picsrc": "Траектория полета непарного мотылька с нормальными крыльями (слева) и с подрезанными // National Academy of Sciences",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2861129_i_2"
}
Убедившись в необходимости задних крыльев для быстрого «ускользающего» полета бабочек, ученые немного порассуждали о полезности такого эволюционного выбора. По их мнению, хотя бабочки и представляют пищевую ценность для некоторых хищников, они существенно менее питательны и вкусны для птиц, чем личинки, а потому и менее привлекательны. Именно поэтому бабочкам не было нужды развивать атлетическую мускулатуру махательных органов, для того чтобы научиться быстро летать и лавировать в полете.
Сочетание хилой мускулатуры и огромного размаха крыльев сделало их полет очень непредсказуемым для стороннего наблюдателя и тем более для хищника, который, раз укусив воздух, уже не станет возвращаться к упущенной жертве. Высвободившееся же за счет мускулов место в своем организме насекомые употребили на пользу репродуктивной и пищеварительной системе, так что садоводы, лишенные урожая, могут без зазрения совести обвинять капустниц в сластолюбии и чревоугодии.
