This site uses cookies.
Some of these cookies are essential to the operation of the site,
while others help to improve your experience by providing insights into how the site is being used.
For more information, please see the ProZ.com privacy policy.
This person has a SecurePRO™ card. Because this person is not a ProZ.com Plus subscriber, to view his or her SecurePRO™ card you must be a ProZ.com Business member or Plus subscriber.
Affiliations
This person is not affiliated with any business or Blue Board record at ProZ.com.
Russian to Polish: Секрет эффективности полета миниатюрных жуков-перокрылок — широкая восьмерка и высокие углы атаки General field: Science Detailed field: Zoology
Source text - Russian Секрет эффективности полета миниатюрных жуков-перокрылок — широкая восьмерка и высокие углы атаки
Миниатюризация происходила в ходе эволюции независимо в нескольких группах насекомых, приводя к возникновению многоклеточных организмов, сравнимых по размерам с крупными одноклеточными. Мельчайшие свободноживущие (непаразитические) насекомые относятся к перокрылкам (семейство Ptiliidae в составе отряда Coleoptera — жесткокрылые, они же жуки). Большинство перокрылок способны к полету, причем их крылья в ходе миниатюризации стали внешне напоминать перья птиц. Это явление, свойственное большинству миниатюрных насекомых, называют птилоптеригией. Независимое возникновение птилоптеригии в разных группах насекомых связано с особенностями полета в условиях, когда силы вязкого трения оказываются сравнимыми с силами инерции. В целом, чем меньше летающее животное, тем медленнее оно летает, и долгое время было распространено мнение, что мельчайшие насекомые неспособны к быстрому и маневренному полету. Новые данные, полученные с помощью высокоскоростной видеосъемки, опровергают это предположение. В частности, сравнительно крупные перокрылки летают так же хорошо, как родственные им жуки втрое больших размеров. У одного из исследованных видов перокрылок — Acrotrichis sericans — отмечена рекордная относительная скорость горизонтального полета, позволяющая жуку преодолевать за секунду расстояние, почти в 1000 раз превышающее длину его тела. Специфический механизм полета, выработавшийся у перокрылок в ходе миниатюризации, позволил им «выйти на новый уровень», так что теперь они могут летать на своих перистых крыльях не хуже и в чем-то даже лучше, чем более крупные жуки на мембранозных (перепончатых, обычного типа) крыльях. Теперь этот механизм впервые подробно описан на примере другого жука из того же семейства — Paratuposa placentis: перистые крылья описывают в воздухе широкую восьмерку, схлопываясь над и под телом, а надкрылья движутся с немалой амплитудой, играя роль инерционного тормоза и компенсируя возникающие в полете вращательные колебания тела.
Среди насекомых (класс Insecta) из разных отрядов есть совсем миниатюрные — их называют микронасекомыми. Этим нестрогим термином обозначают насекомых, размеры которых меньше 2 мм. В ходе миниатюризации микронасекомые из разных отрядов конвергентно (путем независимой эволюции в близких направлениях) приобретали под действием естественного отбора некоторые сходные морфологические признаки. В частности, подавляющее большинство микронасекомых имеет уникальное строение крыльев: почти все жилки на крыле редуцированы, крыловая пластинка короткая и очень узкая, а ее края окаймлены длинными щетинками, которые составляют большую часть площади крыла (см. картинку дня Крыло мельчайшего жука). Этот комплекс признаков называется птилоптеригией (рис. 1).
Долгое время считалось, что миниатюрные насекомые летают преимущественно или исключительно пассивно, перемещаясь по воздуху в основном за счет ветра, подобно планктону, перемещающемуся в основном за счет течения воды. (Таких носимых ветром животных называют аэропланктоном.) Трудно было предположить, что крошечные насекомые, сравнимые по размерам с одноклеточными протистами и имеющие причудливые перистые крылья, могут летать быстро и маневренно.
Плохими летунами многие энтомологи считали и жуков-перокрылок (семество Ptiliidae), к которым относятся мельчайшие свободноживущие (непаразитические) насекомые (рис. 2). Но недавние исследования, проведенные нашей группой, базирующейся на кафедре энтомологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, показали, что мельчайшие жуки вполне способны к активному и маневренному полету (D. Kolomenskiy et al., 2020. Aerodynamic performance of a bristled wing of a very small insect). Более того, как нам удалось выяснить совсем недавно, некоторые из миниатюрных насекомых с перистыми крыльями летают эффективнее, чем насекомые сходного размера с обычными мембранозными крыльями (S. E. Farisenkov et al., 2020. Extraordinary flight performance of the smallest beetles).
Мы изучили эффективность полета миниатюрных жуков из семейства Ptiliidae и сравнили ее с эффективностью полета более крупных жуков с обычными мембранозными (перепончатыми) крыльями — представителей родственных семейств Silphidae (мертвоеды) и Staphylinidae (стафилиниды). Все три семейства относятся к надсемейству Staphylinoidea (рис. 3) и разошлись в ходе эволюции относительно недавно — уж точно позже, чем эволюционная ветвь этого надсемейства отделилась от большинства других жуков.
Насекомых помещали в специальные лётные боксы, где их полет записывали на две синхронные высокоскоростные камеры с высоким разрешением. Частота съемки составляла от 60 до 300 кадров в секунду. В дополнение к обычному свету лётные боксы освещались с трех сторон мощным инфракрасным излучением с длиной волны 850 нм, невидимым для жуков. Это позволило обеспечить необходимую для видеосъемки экспозицию, но не создавать неестественно яркого освещения, которое могло бы повлиять на поведение подопытных жуков. По положениям каждого насекомого на каждом кадре были реконструированы трехмерные траектории его движения, по которым впоследствии мы рассчитывали различные характеристики полета.
Во всех трех семействах средние и максимальные скорости полета увеличиваются с увеличением длины тела (рис. 4). Однако тренды максимальных и средних скоростей полета перокрылок находятся заметно выше линий тренда, полученных для мертвоедов и стафилинид. Это показывает, что перокрылки могут развивать большие средние скорости, чем стафилиниды сходного размера.
Максимальное горизонтальное ускорение, которого могут достигать перокрылки, значительно выше, чем у стафилинид, и примерно в два раза выше, чем у мертвоедов. Если сравнивать относительные значения (измеренные в длинах тела), то средняя скорость горизонтального полета разных видов перокрылок составляет от 146 до 437 длин тела в секунду. Это тоже значительно больше, чем у стафилинид и мертвоедов (для которых этот показатель составляет 28–123 длины тела в секунду). То есть летные характеристики перокрылок сравнимы с летными характеристиками стафилинид и мертвоедов гораздо большего размера. И это несмотря на то, что есть (нестрогое) «правило»: чем меньше летающее животное, тем медленнее оно летает. Более того, жук-перокрылка Acrotrichis sericans способен развивать большую среднюю скорость, чем стафилиниды в три раза длиннее его. При этом он покрывает за секунду расстояние, в 975 раз превышающее длину его тела. Это настоящий рекорд: ни у кого из животных до сих пор не было зарегистрировано такой высокой относительной скорости перемещения в горизонтальной плоскости.
Такой необычайно высокой эффективности полета могут способствовать два фактора. Первый из них — это относительный объем и тонкое строение мышц, так как от них зависит мощность мускулатуры. Объемы и строение мышц перокрылок не были исследованы в рамках нашей работы, но известно, что в ходе миниатюризации относительные объемы мышц жуков не увеличиваются (в отличие от двукрылых, даже самые миниатюрные представители которых имеют мембранозные крылья) (A. A. Polilov, 2015. Consequences of miniaturization in insect morphology). Второй фактор — это необычная морфология и кинематика крыльев, которые больше подходят для полета при миниатюрных размерах.
Для полета миниатюрных насекомых огромное значение имеют силы трения, а силы инерции отступают на второй план. Дело в том, что силы вязкого трения пропорциональны площади поверхности, а инерционные силы — массе тела. При уменьшении размеров тела относительная (по сравнению с массой) площадь поверхности тела увеличивается, ведь абсолютная площадь повехности пропорциональна квадрату линейных размеров, а масса, как и объем, пропорциональна кубу линейных размеров. Когда линейные размеры уменьшаются, например, в 10 раз, площадь поверхности уменьшается в 100 раз, а масса — в 1000 раз, так что относительная площадь поверхности возрастает в 10 раз.
Соотношение инерционных сил и сил трения, которое обычно используют, характеризуя относительную вязкость среды, описывается так называемым числом Рейнольдса (Re). Его рассчитывают по следующей формуле:
где ρρ — плотность среды, LL — характерная длина (определяющая масштаб системы; при вычислении ReRe для машущего крыла используется длина крыла), VV — скорость движения среды, а μμ — динамическая вязкость среды. Существенно, что это число безразмерное (размерность числителя такая же, как размерность знаменателя). Это значит, что нам не важно, в каких величинах измерены переменные, важно только их соотношение.
Крупные насекомые, а также птицы и рукокрылые летают при высоких числах Рейнольдса: от 100 до десятков тысяч и более. В таких условиях их крылья могут создавать подъемную силу на относительно небольших углах атаки (то есть углах наклона крыла по отношению к потоку набегающего воздуха) при невысокой силе лобового сопротивления этому потоку. Отчасти так же это происходит и на крыле самолета. Однако при уменьшении ReRe до 1 инерция воздушных потоков становится столь мала, что подъемная сила на крыле почти отсутствует, в то время как за счет сил вязкого трения крыло испытывает большое лобовое сопротивление. Говоря языком авиаконструкторов, аэродинамическое качество такого крыла крайне низкое, и при его движении на малых углах атаки необходимо затратить больше энергии, чем оно создает в виде подъемной силы. Поэтому для поддержания тела в воздухе выгоднее использовать гребной тип движения крыльев, при котором они работают как весла: взмахи совершаются на больших углах атаки, практически плашмя, а полезная сила создается за счет лобового сопротивления крыла; при возвратных движениях же крыло движется торцом по отношению к потоку.
Микронасекомые находятся в переходной зоне чисел Рейнольдса (порядка 10), поэтому они комбинируют черты машущего и гребного полета, используя для поддержания тела в воздухе как подъемную силу, так и лобовое сопротивление своих крыльев. Во время взмаха вниз и взмаха вверх крыло движется с большими углами атаки — как весло. Взмахи при этом совершаются в почти перпендикулярных плоскостях.
До недавнего времени стиль полета миниатюрных жуков не был подробно описан. В опубликованной в журнале Nature в начале 2022 года статье впервые представлено подробное описание этого процесса. Эта статья была подготовлена под руководством заведующего кафедрой энтомологии биологического факультета МГУ Алексея Полилова. Исследование было проведено нашей международной командой из МГУ им. М. В. Ломоносова, Сколтеха, Совместного российско-вьетнамского тропического научно-исследовательского и технологического центра (Вьетнам), Ростокского университета (Германия), Токийского технологического института и Университета Тибы (Япония). В работе сочетаются современные морфологические методы, трехмерная реконструкция движения частей тела в полете и новые подходы в вычислительной аэродинамике.
Необычный стиль полета жуков-перокрылок был подробно изучен на примере одного из самых маленьких представителей этого семейства — обитающего в грибах-трутовиках в Юго-Восточной Азии вида Paratuposa placentis, у которого длина тела взрослых особей составляет около 400 мкм. Исследованные жуки были отловлены во Вьетнаме, где их вскоре после поимки помещали в небольшой прозрачный бокс, а затем снимали их полет на две высокоскоростные видеокамеры. По видеозаписям была сделана трехмерная реконструкция движений крыльев, надкрылий и тела, на основе которой с помощью специальных программ были произведены точные аэродинамические расчеты. Строение крыльев жуков изучали с помощью сканирующего электронного, конфокального лазерного и обычных световых микроскопов.
Для изучения аэродинамики миниатюрных насекомых нам потребовались особые вычислительные методы. В работах по аэродинамике локомоции (передвижения) живых организмов принято использовать два основных принципиально разных вычислительных подхода: первый — для моделирования полета и плавания крупных животных, второй — для моделирования плавания одноклеточных с помощью жгутиков. При этом вблизи каждой периферической щетинки перистых крыльев вязкость воздуха оказывается такой большой, что его движение во многом похоже на движение жидкости вблизи жгутика одноклеточного, но в масштабе всего тела жука движение воздуха во многом определяется силами инерции. Одна из сложностей, затрудняющих изучение полета таких организмов, состоит в том, что диаметр одной щетинки в сотни раз меньше линейных размеров тела. Поэтому нашей группой был разработан адаптивный алгоритм, позволяющий детально описывать с заданной точностью процессы, происходящие в столь разных масштабах (рис. 7). Этот алгоритм может впоследствии найти применение и для решения многих других задач, требующих многомасштабного моделирования.
Перистые задние крылья жука движутся в полете так, что их вершины описывают в воздухе фигуры в форме широкой восьмерки, совершая быстрые гребные движения с большими углами атаки, чередующиеся с двумя медленными возвратными движениями, при которых крылья схлопываются и движутся на малых углах атаки (рис. 8). Крыловой цикл перокрылок уникален: обычно у миниатюрных насекомых у вершины каждого крыла U-образная траектория, а у крупных насекомых почти прямая. Наличие возвратных движений и двух хлопков крыльями в цикле — также уникальная особенность полета жуков-перокрылок. В среднем по циклу только около трети аэродинамических сил создается за счет лобового сопротивления крыльев, что немного меньше, чем у других микронасекомых. Таким образом, перокрылки способны создавать на крыле существенную подъемную силу, несмотря на весьма небольшие размеры тела и низкие значения числа Рейнольдса.
Когда крыло движется в вязкой среде, воздух, который находится в непосредственной близости к крылу, движется вместе с ним. Этот «присоединенный» слой воздуха почти полностью перекрывает промежутки между щетинками (рис. 9). Расчеты показывают, что благодаря низкой проницаемости перистые крылья микронасекомых почти не уступают в аэродинамической эффективности мембранозным. При этом за счет того, что значительную часть площади крыла составляет не мембрана, а сравнительно легкие щетинки, масса перистого крыла оказывается намного меньше, чем масса мембранозного крыла такой же формы. Щетинки перокрылок дополнительно покрыты кутикулярными выростами, что позволяет увеличить их парусность и еще сильнее облегчить крыло, почти не снижая аэродинамической эффективности. Легкие крылья дают насекомому возможность снизить среднюю и пиковую механическую мощность летательных мышц, благодаря чему уменьшаются энергозатраты и необходимый для полета объем крыловой мускулатуры. Еще одна выгода от перистых крыльев — это уменьшение силы, которую насекомое должно приложить, чтобы разделить соединенные крылья перед взмахом.
Так необычная морфология и кинематика крыльев, которые приспособлены для полета при малых значениях числа Рейнольдса, помогают перокрылкам летать исключительно эффективно, а по некоторым показателям даже рекордно эффективно.
Теперь мы планируем не менее подробно изучить полет других миниатюрных насекомых. Поскольку крыловой аппарат других мельчайших насекомых устроен несколько иначе, а миниатюризация проходила у них независимо, мы ожидаем, что наши исследования скоро принесут новые открытия и помогут разобраться в том, как менялись крылья и стиль полета насекомых из разных групп в ходе миниатюризации. Законы физики для всех одинаковы, но эволюция приспособлений к диктуемым этими законами условиям, судя по всему, шла в разных отрядах насекомых по-разному.
Принципы машущего полета насекомых уже используются инженерами при проектировании экспериментальных беспилотных летательных аппаратов. Миниатюризация — распространенный тренд не только в эволюции ряда групп животных, в том числе насекомых, но и в развитии технологий, поэтому когда-нибудь полученные нами знания о подробностях механизмов полета микронасекомых могут пригодиться в создании крошечных рукотворных устройств. Однако сделать летательный аппарат, сравнимый по размерам с мельчайшими жуками-перокрылками намного сложнее, чем сделать и подковать танцующую механическую блоху, поэтому пройдет не одно десятилетие, пока люди сумеют спроектировать и изготовить нечто подобное. Наша же задача пока состоит в том, чтобы подробно разобраться не только в механизмах полета насекомых разных групп, но и в эволюции этих механизмов. Будущее покажет, когда эти знания удастся применить на практике.
Translation - Polish Sekret efektywności lotu miniaturowych chrząszczy piórkoskrzydłych to szeroka ósemka i wysokie kąty natarcia
Miniaturyzacja w toku ewolucji w kilku grupach owadów zachodziła niezależnie, prowadząc do powstania organizmów wielokomórkowych, porównywalnych wielkością do dużych organizmów jednokomórkowych. Do najmniejszych wolno żyjące (niepasożytnicze) owadów należą chrząszcze piórkoskrzydłe (rodzina Ptiliidae z rzędu Coleoptera). Większość piórkoskrzydłych jest zdolna do latania, a ich skrzydła w procesie miniaturyzacji zaczęły z wyglądu przypominać ptasie pióra. Zjawisko to, charakterystyczne dla większości miniaturowych owadów, nazywa się ptilopterygią. Niezależne występowanie ptilopterygii w różnych grupach owadów wiąże się ze specyfiką lotu w warunkach, gdy siły tarcia lepkiego są porównywalne z siłami bezwładność. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsze latające zwierzę, tym wolniej leci i przez długi czas powszechnie uważano, że najmniejsze owady nie są zdolne do szybkiego i zwrotnego lotu. Nowe dane uzyskane dzięki filmowaniu wideo ze zwiększona prędkością obalają to przypuszczenie. Zwłaszcza stosunkowo duże piórkoskrzydłe latają tak samo dobrze jak spokrewnione z nimi, trzy razy większe chrząszcze. Jeden z badanych gatunków piórkoskrzydłych - Acrotrichis sericans - osiąga rekordową względną prędkość lotu poziomego, pozwalającą mu pokonać w ciągu sekundy odległość prawie 1000 razy większą od długości jego ciała. Specyficzny mechanizm lotu, który rozwinął się u piórkoskrzydłych w procesie miniaturyzacji „wyniósł je na nowy poziom”, dzięki czemu mogą teraz latać na swoich pierzastych skrzydłach tak samo, a pod pewnymi względami nawet lepiej niż większe chrząszcze na zwykłych skrzydłach błoniastych. Teraz mechanizm ten został szczegółowo opisany po raz pierwszy na przykładzie innego chrząszcza z tej samej rodziny - Paratuposa placentis: pierzaste skrzydła opisują w powietrzu szeroką ósemkę, zapadając się nad i pod ciałem, a elytry poruszają się ze znaczną amplitudą, pełniąc rolę hamulca bezwładnościowego i kompensując powstające w trakcie lotu drgania obrotowe ciała.
Wśród owadów (gromada Insecta) z różnych rzędów są i całkiem małe - nazywane są one mikroowadami. Ten luźny termin odnosi się do owadów, o długości poniżej 2 mm. W trakcie procesu miniaturyzacji mikroowady z różnych rzędów konwergentnie (poprzez niezależną ewolucję w zbliżonych kierunkach) pod wpływem doboru naturalnego nabyły pewne podobne cechy morfologiczne. Zdecydowana większość mikroowadów ma unikalną strukturę skrzydeł: prawie wszystkie żyłki na skrzydle są zredukowane, płytka skrzydełkowa jest krótka i bardzo wąska, a jej krawędzie są otoczone długimi szczecinkami, które stanowią większość powierzchni skrzydła. Ten kompleks cech nazywa się ptilopterygią.
Przez długi czas uważano, że mikroowady latają przeważnie (lub wyłącznie) biernie, poruszając się w powietrzu głównie dzięki wiatrowi, podobnie jak plankton, który porusza się głównie dzięki przemieszczaniu się wody (takie zwierzęta przenoszone przez wiatr nazywane są aeroplanktonem). Trudno było sobie wyobrazić, że maleńkie owady, porównywalne pod względem wielkości do jednokomórkowych protistów i z dziwacznymi pierzastymi skrzydłami, mogą latać szybko i zwrotnie.
Za kiepskich lotników wielu entomologów uważało również, chrząszcze piórkoskrzydłe (rodzina Ptiliidae), do których należą najmniejsze owady wolno żyjące (niepasożytnicze) (rys. 2). Ostatnie badania przeprowadzone przez naszą grupę, z Katedry Entomologii Wydziału Biologii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego im. M.W. Łomonosowa wykazały jednak, że miniaturowe chrząszcze są w pełni zdolne do aktywnego i zwrotnego lotu (D. Kolomenskiy et al., 2020. Aerodynamic performance of a bristled wing of a very small insect). Co więcej, jak udało nam się całkiem niedawno dowiedzieć, niektóre miniaturowe owady o pierzastych skrzydłach latają wydajniej niż owady podobnej wielkości ze zwykłymi błoniastymi skrzydłami (S. E. Farisenkov et al., 2020. Extraordinary flight performance of the smallest beetles).
Zbadaliśmy wydajność lotu miniaturowych chrząszczy z rodziny Ptiliidae i porównaliśmy ją z wydajnością lotu większych chrząszczy o konwencjonalnych skrzydłach błoniastych, przedstawicieli pokrewnych rodzin Silphidae (omarlicowate) i Staphylinidae (kusakowate). Wszystkie trzy rodziny należą do nadrodziny Staphylinoidea (kuskokształtne) (rys. 3) i rozdzieliły się w toku ewolucji stosunkowo niedawno, z pewnością później niż gałąź ewolucyjna tej nadrodziny oddzieliła się od większości innych chrząszczy.
Owady umieszczono w specjalnych skrzynkach, a ich lot rejestrowano za pomocą dwóch synchronicznych szybkich kamer o wysokiej rozdzielczości. Częstotliwość fotografowania wynosiła od 60 do 300 klatek na sekundę. Oprócz zwykłego światła, skrzynki oświetlane były z trzech stron silnym promieniowaniem podczerwonym o długości fali 850 nm., niewidocznym dla chrząszczy. Pozwoliło to na zapewnienie niezbędnej do nagrywania filmów ekspozycji, przy jednoczesnej rezygnacji z nienaturalnie jasnego oświetlenia, które mogłoby wpłynąć na zachowanie badanych owadów. Na podstawie pozycji każdego owada na każdej klatce zostały zrekonstruowane trójwymiarowe trajektorie jego ruchu, z których następnie obliczyliśmy różne charakterystyki lotu.
We wszystkich trzech rodzinach średnia i maksymalna prędkość lotu wzrasta wraz ze wzrostem długości ciała (rys. 4). Jednak wartości maksymalnych i średnich prędkości lotu piórkoskrzydłych są zauważalnie wyższe niż wartości uzyskane dla omarlicowatych i kusakowatych. To pokazuje, że piórkoskrzydłe mogą rozwijać większe średnie prędkości niż kusakowete o podobnej wielkości.
Maksymalne przyspieszenie poziome, jakie mogą osiągnąć piórkoskrzydłe, jest znacznie wyższe niż w przypadku kusakowatych i około dwa razy wyższe niż w przypadku omarlicowatych. Jeśli porównamy wartości względne (mierzone w długościach ciała), średnia prędkość lotu poziomego różnych gatunków piórkoskrzydłych wynosi od 146 do 437 długości ciała na sekundę. Jest to również znacznie więcej niż w przypadku kusakowatych i omarlicowatych (dla których liczba ta wynosi 28–123 długości ciała na sekundę). Oznacza to, że charakterystyka lotu piórkoskrzydłych jest porównywalna z charakterystyką lotu kusakowatych i omarlicowatych, które są od nich znacznie większe. I to pomimo faktu, że istnieje (swobodna) „zasada”: im mniejsze zwierzę latające, tym wolniej leci. Co więcej, piórkoskrzydły chrząszcz Acrotrichis sericans jest w stanie rozwinąć prędkość średnią wyższą niż kusak trzykrotnie od niego dłuższy. Pokonuje on w ciągu sekundy 975-krotną długość swojego ciała. To prawdziwy rekord: żadne inne zwierzę nigdy nie odnotowało tak dużej względnej prędkości ruchu w płaszczyźnie poziomej.
Na tę niezwykle wysoką wydajność lotu mogą składać się dwa czynniki. Pierwszym z nich jest względna objętość i delikatna budowa poszczególnych mięśni, ponieważ od nich zależy siła całego układu mięśniowego. Objętość i struktura mięśni piórkoskrzydłych nie były badane w naszej pracy, ale wiadomo, że relatywna objętości mięśni chrząszczy w ewolucyjnym procesie miniaturyzacji nie zwiększa się (w przeciwieństwie do muchówek, których nawet najmniejsi przedstawiciele mają błoniaste skrzydła) (A. A. Polilov, 2015. Consequences of miniaturization in insect morphology). Drugim czynnikiem jest niezwykła budowa i sposób poruszania skrzydeł, bardziej efektywne przy miniaturowych rozmiarach.
Dla lotu owadów miniaturowych ogromne znaczenie mają siły tarcia, a siły bezwładności schodzą na plan dalszy. Chodzi o to, że siły tarcia lepkiego są proporcjonalne do pola powierzchni, a siły bezwładności - do masy ciała. Wraz ze spadkiem wielkości ciała wzrasta jego względna (w stosunku do masy) powierzchnia, wszak bezwzględna powierzchnia jest proporcjonalna do kwadratu wymiarów liniowych, a masa, podobnie jak objętość, jest proporcjonalna do ich sześcianu. Gdy wymiary liniowe zmniejszają się, na przykład 10-krotnie, pole powierzchni zmniejsza się 100-krotnie, a masa 1000-krotnie, tak że względna powierzchnia wzrasta 10-krotnie.
Stosunek sił bezwładności do sił tarcia, który jest powszechnie stosowany do charakteryzowania względnej lepkości ośrodka, jest opisany przez tak zwaną liczbę Reynoldsa (Re). Oblicza się ją według następującego wzoru:
Re= siły inercjalne/siły tarcia=ρLV/μ,
gdzie ρ jest gęstością ośrodka, L jest długością charakterystyczną (która określa skalę układu; przy obliczaniu Re dla trzepoczącego skrzydła używa się długości skrzydła), V jest prędkością ośrodka, a μ jest lepkością dynamiczną ośrodka. Istotne jest, aby liczba ta była bezwymiarowa (wymiar licznika jest taki sam jak wymiar mianownika). Oznacza to, że nie ma dla nas znaczenia w jakich wielkościach mierzone są zmienne, liczy się tylko ich stosunek.
Duże owady, a także ptaki i nietoperze latają przy dużej liczbie Reynoldsa: od stu do dziesiątek tysięcy lub więcej. W takich warunkach ich skrzydła mogą wytwarzać siłę nośną przy stosunkowo małych kątach natarcia (to znaczy kątach nachylenia skrzydła w stosunku do strugi napływającego powietrza) przy niskiej sile oporu czołowego tego przepływu. Częściowo dzieje się tak również w przypadku skrzydła samolotu. Jednak przy zmniejszaniu Re do 1 bezwładność przepływów powietrza staje się tak mała, że prawie nie ma siły nośnej na skrzydle, a ze względu na siły tarcia lepkiego skrzydło doświadcza dużego oporu. Mówiąc językiem konstruktorów samolotów, jakość aerodynamiczna takiego skrzydła jest bardzo niska, a podczas jego ruchu przy małych kątach natarcia należy wydać więcej energii niż wytwarza ono w postaci siły nośnej. Dlatego, aby utrzymać ciało w powietrzu, bardziej opłacalne jest stosowanie wioślarskiego rodzaju ruchu skrzydeł, w którym działają one jak wiosła: trzepotanie odbywa się przy dużych kątach natarcia, prawie płasko, a użyteczna siła jest generowana przez opór czołowy skrzydła; podczas ruchów powrotnych skrzydło porusza się czołem w stosunku do przepływu.
Mikroowady znajdują się w strefie przejściowej liczb Reynoldsa (około 10), więc w swojej technice lotu łączą cechy trzepotania i lotu wiosłowego, wykorzystując zarówno siłę nośną, jak i opór czołowy swoich skrzydeł do utrzymania ciała w powietrzu. Podczas ruchu zarówno w dół jak i w górę skrzydło porusza się z dużymi kątami natarcia - jak wiosło. Ruchy dobywają się przy tym w prawie prostopadłych.
Do niedawna technika lotu miniaturowych chrząszczy nie była szczegółowo opisywana. Artykuł opublikowany w czasopiśmie Nature na początku 2022 r. zawiera pierwszy szczegółowy opis tego procesu. Publikacja został przygotowany pod kierunkiem Aleksieja Poliłowa, kierownika Katedry Entomologii Wydziału Biologii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Badanie zostało przeprowadzone przez nasz międzynarodowy zespół złożony z naukowców Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego im. M. W. Łomonosowa, Skolteha, Wspólnego Rosyjsko-Wietnamskiego Tropikalnego Centrum Badawczo-Rozwojowego i Technologicznego (Wietnam), Uniwersytetu w Rostocku (Niemcy), Tokijskiego Instytutu Technologii i Uniwersytetu Tiby (Japonia). Podczas pracy wykorzystano nowoczesne metody morfologiczne, trójwymiarową rekonstrukcję ruchu części ciała w locie oraz nowe trendy w aerodynamice numerycznej.
Niezwykły styl lotu chrząszczy piórkoskrzydłych został szczegółowo zbadany na przykładzie jednego z najmniejszych przedstawicieli tej rodziny, gatunku Paratuposa placentis, żyjącego w grzybach - hubach w Azji Południowo-Wschodniej, którego długość ciała u dorosłego osobnika wynosi około 400 mikronów. Badane chrząszcze zostały schwytane w Wietnamie, gdzie wkrótce po schwytaniu umieszczono je w małym przezroczystym pudełku, a następnie sfilmowano ich lot dwiema szybkimi kamerami wideo. Na podstawie nagrań wideo wykonano trójwymiarową rekonstrukcję ruchów skrzydeł, elytry i ciała, na podstawie której za pomocą specjalnych programów wykonano dokładne obliczenia aerodynamiczne. Strukturę skrzydeł chrząszcza badano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, mikroskopu konfokalnego oraz konwencjonalnych mikroskopów optycznych.
Aby zbadać aerodynamikę miniaturowych owadów, potrzebowaliśmy specjalnych technik obliczeniowych. W pracach nad aerodynamiką przemieszczania się organizmów żywych zwyczajowo stosuje się dwie podstawowe, zasadniczo różne procedury obliczeniowe: pierwsza dotyczy modelowania lotu i pływania dużych zwierząt, druga dotyczy modelowania pływania organizmów jednokomórkowych wykorzystujących wici. Przy czym zauważyć należy, iż w pobliżu każdego włoska porastającego obwód skrzydła omawianych chrząszczy lepkość powietrza okazuje się tak duża, że jego ruch jest pod wieloma względami podobny do ruchu płynu w pobliżu wici organizmu jednokomórkowego, ale w skali całego ciała chrząszcza ruch powietrza jest w dużej mierze zdeterminowany przez siły bezwładność. Jedną z kwestii sprawiających kłopoty podczas badania lotu takich organizmów był fakt, że średnica jednego włoska jest setki razy mniejsza niż liniowe wymiary ciała. Dlatego nasza grupa opracowała algorytm adaptacyjny, który pozwala szczegółowo opisać z określona dokładnością procesy zachodzące w tak różnych skalach (rys. 7). Algorytm ten może także znaleźć zastosowanie do rozwiązywania wielu innych problemów wymagających modelowania wielkoskalowego.
Pierzaste tylne skrzydła chrząszcza poruszają się w locie tak, że ich wierzchołki opisują w powietrzu figury w postaci szerokiej ósemki, wykonując szybkie ruchy wiosłowe z dużymi kątami natarcia, naprzemiennie z dwoma wolnymi ruchami powrotnymi, w których skrzydła opadają i poruszaj się przy niskich kątach natarcia (rys. 8). Cykl ruchu skrzydeł piórkoskrzydłych jest wyjątkowy: zazwyczaj u miniaturowych owadów trajektoria wierzchołka skrzydła przypomina kształt litery U, podczas gdy u dużych owadów zbliżona jest do prostej. Występowanie ruchów powrotnych i dwa uderzenia skrzydłami w cyklu są również unikalną cechą lotu chrząszczy piórkoskrzydłych. Średnio w cyklu tylko około jedna trzecia sił aerodynamicznych jest wytwarzana przez opór czołowy skrzydeł, który jest nieco mniejszy niż w przypadku innych mikroowadów. Tym sposobem piórkoskrzydłe są w stanie wytworzyć na skrzydłach znaczną siłę nośną, pomimo bardzo małych rozmiarów ciała i niskich wartości liczby Reynoldsa.
Kiedy skrzydło porusza się w lepkim ośrodku, powietrze znajdujące się w pobliżu skrzydła porusza się wraz z nim. Ta „przyklejona” warstwa powietrza prawie całkowicie wypełnia przestrzenie pomiędzy włoskami (rys. 9). Z obliczeń wynika, że pierzaste skrzydła mikroowadów, ze względu na niską przepuszczalność, prawie nie ustępują pod względem wydajności aerodynamicznej skrzydłom błoniastym. Jednocześnie ze względu na to, że znaczną część powierzchni skrzydła stanowi nie błona, a stosunkowo lekkie włoski, masa skrzydła pierzastego okazuje się znacznie mniejsza niż masa skrzydła błoniastego o tym samym kształcie. Włosie skrzydeł jest dodatkowo pokryte wyrostkami kutykularnymi, co pozwala zwiększyć ich powierzchnię nośną i dodatkowo zmniejszyć ciężar, prawie bez zmniejszania wydajności aerodynamicznej. Lekkie skrzydła pozwalają owadowi zmniejszyć średnią i szczytową moc mechaniczną mięśni odpowiadających za latanie, zmniejszając w ten sposób zużycie energii i objętość niezbędnej do lotu muskulatury skrzydeł. Inną zaletą pierzastych skrzydeł jest zmniejszenie siły, jaką owad musi użyć, aby rozdzielić połączone skrzydła przed ich uderzeniem.
Ta niezwykła budowa i kinematyka skrzydeł, które są przystosowane do latania przy niskich liczbach Reynoldsa, pomagają piórkoskrzydłym latać wyjątkowo, a pod pewnymi względami nawet rekordowo efektywnie.
Teraz mamy w planach nie mniej szczegółowo zbadać technikę lotu innych miniaturowych owadów. Ponieważ skrzydła u innych drobnych owadów posiadają nieco odmienną budowę, a ewolucyjny proces miniaturyzacji odbywał się w pełni autonomicznie, spodziewamy się, że nasze badania przyniosą wkrótce nowe odkrycia i pomogą zrozumieć, w jaki sposób skrzydła i styl lotu owadów z różnych grup ewoluowały podczas miniaturyzacji. Prawa fizyki są takie same dla wszystkich, ale adaptacja do warunków podyktowanych tymi prawami najwyraźniej przebiegała inaczej u owadów należących do różnych rzędów.
Zasady lotu trzepoczącego owadów są już wykorzystywane przez inżynierów przy projektowaniu eksperymentalnych bezzałogowych aparatów latających. Miniaturyzacja to trend rozpowszechniony nie tylko w ewolucji wielu grup zwierząt, w tym owadów, ale także w rozwoju technologii, więc pewnego dnia zdobyta przez nas wiedza dotycząca szczegółów mechanizmu lotu mikroowadów może być przydatna przy tworzeniu latających miniaturowych urządzeń. Znacznie trudniej jednak jest stworzyć maszynę latającą o wielkości porównywalnej z najmniejszymi chrząszczami piórkoskrzydłymi niż stworzyć mechaniczną pchłę, podkuć ją i nauczyć tańczyć, minie więc niejedna dekada, zanim ludzie będą mogli zaprojektować i wykonać coś podobnego. Póki co, naszym zadaniem jest szczegółowe zrozumienie nie tylko mechanizmów lotu owadów różnych grup, ale także ich ewolucji. Przyszłość pokaże, kiedy tę wiedzę można będzie zastosować w praktyce.
More
Less
Experience
Years of experience: 6. Registered at ProZ.com: Feb 2022.
Expertise