Чем отличается самолет от шмелей. Почему шмель не может летать по законам физики

22.04.2024Рубрика: Породы кошек

Рождение этой легенды относится к началу 20 века, когда один ученый рассчитал подъёмную силу крыльев шмеля. Но почему был выбран именно шмель? Дело в том, что шмель имеет малые крылья относительно массы и размеров собственного тела. Именно в этом и заключается особый интерес, а может ли шмель летать?

Шмель относится к перепончатокрылым насекомым, во многих отношениях является близким родственником медоносных пчел. В природе насчитывается примерно 290 видов шмелей. Это одно из самых холодостойких насекомых.

Шмель может разогревать своё тело до 40 градусов за счет постоянного и быстрого сокращения грудных мышц. При этом его температура может превышать температуру окружающего воздуха на 20-30 градусов. Эта особенность позволяет шмелю вылетать для сбора нектара раньше конкурентов, когда еще не прогрелся воздух.

Еще в прошлом веке появился парадокс, в котором доказывалось с точки зрения биологии и физики, что шмель не способен летать. В расчетах математических ошибок не было. Тем более, что математика неплохо описывала полеты пчел, бабочек и других насекомых.

Главная ошибка расчетов объясняется тем, что проведены они были в самом начале развития науки аэродинамики. Учёный применил к полету шмеля формулы для вычисления подъёмной силы самолетов, в итоге чего получил парадоксальный результат и сделал вывод, что шмель не способен летать, но летает, нарушая законы физики.

Еще одна ошибка в том, что ученый проделал все эти вычисления, так как не мог понять, что самолет, в отличие от шмеля, крылышками не машет. У шмеля механика полёта совершенно другая, и к самолетам она не подходит.

Почему шмель летает вопреки расчетам - стало аргументом в пользу бессилия науки. Но наука и техника развивались. Полет шмеля и движения его крыльев удалось заснять на камеру, потом просмотреть в замедленном режиме, изучить траекторию движения крыльев.

Оказалось, что при очень большой частоте движений крыльев у их краев образуются завихрения воздуха, которые убираются при завершении взмаха крыла. В завихрениях имеется разность давлений воздуха, которая и создает подъемную силу. На этом же принципе основан полет многих мух. Бабочки не умеют сбрасывать завихрения, но они умеют, в отличие от шмеля, планировать.

За один час полета шмель пролетает расстояние, превышающее его длину примерно в 10000 раз. Это означает, что человек со средним ростом в 180 сантиметров должен был бы пробежать за час 180 километров.

Самый крупный из шмелей живет в Центральной Америке. У взрослой самки длина тела может достигать до 3,2 сантиметров, а размах ее крыльев может быть и около 5 сантиметров.

Один из самых маленький шмелей - изменчивый шмель, живущий в Центральной Европе. Длина тела у взрослой самки всего лишь от 1,6 до 1,8 см, а размах крыльев изменчивого шмеля не превышает 3 сантиметров.

Узнать, почему шмель летает, удалось относительно недавно. Принципы его полета нельзя использовать для разработки самолетов. Но, возможно, их можно использовать для проектирования вертолетов с гибкими лопастями. Будущее покажет.

Многие научные гипотезы, а затем и законы, были открыты при наблюдении за животными. Первые приспособления для парапланирования человека в воздухе были скопированы с крыльев птиц и насекомых. Ученые разбирали принцип полета того или иного живого существа и старались объяснить это с научной точки зрения. И лишь совсем недавно они смогли понять, почему шмель летает.

На заметку!
Внимание исследователей и людей науки привлекло маленькое насекомое, которое, вопреки всем известным на тот момент законам физики, летает. Его объемное тело, форма которого не отвечает аэродинамическим условиям, никак не стыковалось с маленькими невзрачными крылышками. Все в один голос утверждали, что не может летать с такими физическими данными.

Ошибочная гипотеза

Математическими формулами и законами аэродинамики объясняли полеты многих насекомых:

бабочек;
пчел;
жуков и многих других.

Аэроанализу подвергали любое летающее живое существо и после некоторых вычислений становилось ясно, как оно летает. Когда очередь дошла до шмеля, который является ближайшим родственником пчелы, ученые зашли в тупик. Они пытались применить формулы, по которым рассчитывается подъемная сила, действующая на самолет.

На заметку!
Нет ничего удивительного в том, что эти формулы никак не подходили к полету насекомого. Площадь поверхности его крыльев была слишком мала, чтобы создать силу, способную поднять грузное тело. Никакой речи о планировании в потоке воздуха здесь не было. Вывод был однозначный и курьезный: шмель не может летать.

Все дело в крыльях

Наука и техника не стояли на месте и вскоре к вопросу о полете шмеля вернулись. Теперь к решению этой задачи подошли более тщательно, записав на видеокамеру, как летает шмель. С помощью современной аппаратуры удалось рассмотреть все движения крыльев насекомого в замедленном действии и начать строить новую гипотезу.

На видеозаписи специалисты разглядели принцип движения крыльев. Маленькие и невзрачные, они совершали очень необычные взмахи. Помимо возвратно-поступательных движений они одновременно совершали еле заметные колебательные вибрации, похожие больше на мелкую дрожь. Именно эти высокочастотные колебания стали причиной полета насекомого.

Интересно!
Во время наблюдений за движением крыльев мохнатого родственника пчелы было подсчитано, что он совершает ими 300-400 взмахов в секунду.

Благодаря этим микровибрациям крылышек вокруг их концов создаются завихрения воздуха с переменным значением плотности. Разница в плотности потоков воздуха и создает подъемную силу, действующую на насекомое. Такими завихрениями не обладают взмахи крыльев бабочки или пчелы, поэтому изначально к данному выводу не смогли прийти.

Доказательная база от ученого-физика

Впервые научно-обоснованное заключение по полету шмеля было представлено всеобщему обозрению в середине прошлого столетия. Женщина-физик Чжэн Джейн Ван, работающая в известном Корнеллском университете США, привела доказательную базу по образованию подъемной силы за счет завихрений.

Физик потратила немало времени на тщательные исследования по этому вопросу, и к ее гипотезе не было возражений. Еще она отметила, что основной ошибкой ученых, уверяющих, что по законам физики шмель не может летать, было отсутствие достаточных знаний в определенных разделах аэродинамики.

Применение формул, по которым рассчитывается полет авиалайнера со статичным состоянием крыльев, невозможно к расчету полета насекомого, которое активно машет крылышками в нескольких плоскостях. Такое движение в воздухе является ярким примером раздела нестационарной газово-вязкой динамики.

Итогом всех этих исследований стало окончательное заключение, что мохнатый родственник пчелы летать может. Интересней тот факт, что насекомое и без этих сложных и долгих умозаключений великих умов как летало, так и продолжает летать. Даже если впоследствии появится новая гипотеза аэродинамики шмеля, он все равно будет совершать свои ежедневные полеты, несмотря ни на что.

«Черный бархатный шмель, золотое оплечье,

Заунывно гудящий певучей струной.

Ты зачем залетаешь в жилье человечье,

И как будто тоскуешь со мной?»

И. А. Бунин

Приходит упоительное лето, расцветают ароматные цветочки, и все вокруг наполняется пением птиц и жужжанием насекомых. Порхают бабочки, стрекозки, трудятся над цветочные клумбами неутомимые пчелы и шмели. Шмель – уникальное создание природы. Неповоротливый, толстенький трудяга неустанно опыляет цветочки и приглашает посетить шмелиный сказочный мир, полный тайн и загадок.

Знакомство со шмелем

Шмель (земляная пчела или Bombus) относится к перепончатокрылым из семейства пчелиных. Они обитают везде (даже в прохладной Гренландии, снежной Аляске и суровой Чукотке), но вот Австралию толстые мохнатые насекомые не любят – их завезли туда недавно. В зоологическом мире 250 видов земляных пчел.

Шмель большое насекомое, его тельце с густыми черными волосками, достигает длины в 3,5-4 сантиметра. Бомбусы – существа миролюбивые и доброжелательные. Они умеют жалить, но, в отличие от пчел, кусаются неповоротливые создания редко и гораздо слабее.

Хотя при кусании земляные пчелы не оставляют жало в теле, но их яд содержит серотонин, понижающий кровяное давление. При наличии у человека аллергии, возможна сильнейшая реакция организма вплоть до анафилактического шока.

Как живет шмель. Шмели могут быть одиночками и создавать семьи. Виды насекомых, обитающих в условиях севера (где короткое одномесячное лето), обитают в гордом одиночестве. А в благодатных, теплых районах земляные пчелы успевают за летний сезон создать семью (проживет шмелиная семья ровно одно лето).

В зонах тропика некоторые виды шмелей создают многолетние семьи с огромным количеством домочадцев (до 500 особей). Бомбусы подразделяются на три группы:

Королева, выводящая потомство.
Рабочие шмели, следящие за строительством гнезда и сбором нектара.
Трутни, оплодотворяющие самку. Трутень не умеет кусать – вместо жала у него половые железы.

У мохнатых насекомых существуют зимние подземные норы – там проживает матка. По весне шмели выстраивают гнезда. Шмелиные жилища похожи на пчелиные. Личинки шмелей (в отличие от иных представителей мира насекомых), вылупляются и обитают в одной капсуле. В остальных отсеках гнезда шмели оборудуют медовые склады.

Там же они хранят и перги (пчелиный «хлеб»), оно спасает мохнатых, черно-золотых созданий от периода непогоды. У шмелиной семьи есть иерархия и четкое распределение обязанностей. Кто-то строит гнездо, другие собирают пыльцу.

Матка за жизнь откладывает 300-400 яиц для вывода рабочих существ. Ее последний выводок состоит из новых маток, которые и остаются зимовать, чтобы по весне дать жизнь новому потомству. Старая матка умирает.

Гнездо шмеля (или бомбидарий) – овальные, неправильной формы ячейки, созданные из буроватого либо красного воска. Жилища шмели обустраивают в дуплах, между каменистыми зазорами, на земле рядом с моховыми растениями, ветками. Земляные пчелы могут занять птичьи гнезда, норы кротов или мышей.

Они не следят за состоянием гнездовья и не пользуются одной сотой дважды для выведения потомства. Новые соты строятся на старых, полуразрушенных, поэтому шмелиные гнезда выглядят неряшливо.

Шмели умеют вентилировать жилище. Они зависают у входа в гнездо и активно трепещут крылышками, прогоняя в жилье потоки свежего воздуха.

А в холода насекомые превращаются в обогреватели. Они дружно сокращают мышцы, находясь на одном месте, издавая знакомый гудящий звук. Совместное гудение обогревает воздух в гнезде и поднимает его до комфортного для насекомых режима в +30-35⁰ С.

Чем питаются. Любимая пища земляных пчел – нектар. Они собирают его с распустившихся бутонов. У мохнатых насекомых есть одна удивительная способность – при интенсивной работе грудных мышц, насекомые поднимает у себя температуру тела до +40 ⁰ С.

Благодаря такой возможности, шмели принимаются за работу над цветами ранним утром, когда воздух еще не прогрелся. Из-за этого мохнатых насекомых называют «теплокровными». Такая способность разрешает бомбусам обитать в северных районах. В отличие от обычных, земляные пчелы не создают запасов меда – он им нужен лишь для спасения от голода при ненастной погоде.

Когда появились шмели. Когда бомбус впервые увидел мир – неизвестно, хотя найденные окаменелые остатки насекомых датируются в 25-40 млн. лет. Окаменелый шмель – редчайшая находка, попасть в смолу крупному насекомому и утонуть в ней сложно. Такие находки обнаруживали в Азии.

Польза шмеля. Земляная пчела – ценнейший опылитель. Благодаря длинному хоботку, это насекомое опыляет такие растения, с которыми не справляются обычные пчелы. Человечеством создана отрасль, посвященная выведению шмелей – шмелеводство. Мохнатых насекомых искусственно разводят для опыления растительных культур с целью увеличения урожайности.

Это любопытно

Как летает шмель. Крупные создания летают со скоростью в 18-20 км/час. В полете 90% энергии насекомого преобразуется в тепло. Летая, мохнатое существо имеет температуру тельца на 20-30⁰ выше окружающего пространства. У насекомых природа предусмотрела механизм охлаждения. Когда земляные пчелы в полете перегреваются, из специальных желез они выпускают на себя каплю прохладной жидкости.

Бомбусы, как и остальные насекомые, не могут летать спиной вперед. Это умеет делать лишь колибри. Из-за маленького размера птичку часто принимают за толстенького шмелика, поэтому существовало мнение, что шмель умеет летать таким неординарным способом.

Рекордсмены. Самый крупный бомбус обитает в центральных районах Америки. Длина его тела достигает 5 сантиметров. А самое маленькое шмелиное создание облюбовало ареал проживания в Центральной Европе, длина насекомого всего полтора сантиметра.

Загадочный миф . У людей существует распространенное мнение, что земляная пчела летает вопреки признанным законам аэродинамики. Это миф или летающее насекомое действительно «рушит» основы физики и обладает уникальной способностью? Или это представитель иной, развитой цивилизации, живущей по другим понятиям?

Почему шмель летать не должен?

Родилась такая легенда в начале XX века, когда бурно развивалось самолетостроение. Ученые того времени применяли к насекомому условия полетов по законам аэродинамики (вычисления силы, предназначенной для подъема в воздух тяжеловесных лайнеров).

Почему выбор пал на мохнатое насекомое? У бомбуса относительно грузной массы тела маленькие по размеру крылышки. Это и привлекло внимание ученых.

Математические исчисления подходили для пчел, мух, бабочек, а вот к шмелям это применение по законам физики оказалось невозможным. Загадочное насекомое опровергало все математические выводы ученых. Что они сделали? Попытались вписать шмелиный полет к формулам, исчисляющим подъемную силу авиалайнера, забыв о том, что самолет не умеет махать крыльями.

В итоге, получив парадоксальный вывод о невозможности полета земляной пчелы, ученые заявили, что «шмель летать не может, но летает, нарушая законы физики». Но мохнатое насекомое физику не изучало и на лекциях не сидело. Ежедневно шмелики, радостно гудя крыльями, показывали, насколько наука бессильна. Почему шмель летает?

Разгадка тайны шмелиного полета

Наука развивалась. Полет насекомого, то, с какой скоростью и как именно оно летает, удалось досконально снять на камеру. Взмахи крыльев просматривали в замедленном темпе, изучали траекторию движения. Какие выводы получили?

При интенсивной работе крылышек, их края образуют воздушные завихрения. Завихи убираются, как только крыло перестает взмахивать.
Эти завихрения воздуха обладают различной плотностью воздушного потока.
Разница в давлении воздуха создает силу подъемную, которая и поднимает бомбуса в воздух.

Та же бабочка или комар не могут сбрасывать воздушные завихрения, их полет заложен на планировании в потоке воздушных масс. Шмель летает вопреки законам аэроанализа, ведь его работающие крылышки рождают большую аэродинамическую силу. А возвратно-поступательные взмахи крыльев делали исследования передвижения насекомого слишком сложными и непредсказуемыми для аналитики.

Аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко фиксированное крыло. И крылышки шмеля создают одновременно не только возвратно-поступательные, но и ритмически-колебательные движения (за секунду крыло бомбуса совершает 300-400 таких взмахов).

Доказательную базу привела в середине XX века женщина-физик из Корнельского университета Чжэн Джейн Ван. Она потратила много часов, моделируя за сверхмощным компьютером схему движения вихревых потоков, создаваемых шмелиными крыльями, и сделала окончательный вывод: «Шмель не нарушает аэродинамические законы. Его полет зависит от крыльевых завихрений. А при полете самолета воздух обтекает его».

Чжэн отметила, что миф о полете земляной пчелы – это следствие неграмотного понимания инженерами-авиаконструкторами нестационарной газово-вязкой динамики.

Лайнер, выстроенный со строгим соблюдением шмелиных пропорций, никогда бы не взлетел. Принципы работы крыльев земляной пчелы невозможно применить для авиастроения. Но в будущем, если появится модель вертолетов с гибкими, эластичными лопастями, полет шмеля пригодится авиаконструкторам!

Оригинал взят у masterok в Разоблачаем! Шмель летать не должен?

Родилось такое утверждение в начале XX века, когда бурно развивалось самолетостроение. Ученые того времени применяли к насекомому условия полетов по законам аэродинамики (вычисления силы, предназначенной для подъема в воздух тяжеловесных лайнеров).

Почему выбор пал на мохнатое насекомое? У шмеля относительно грузной массы тела маленькие по размеру крылышки. Это и привлекло внимание ученых.

Почему шмель летает?

При интенсивной работе крылышек, их края образуют воздушные завихрения. Завихи убираются, как только крыло перестает взмахивать.
Эти завихрения воздуха обладают различной плотностью воздушного потока.

Разница в давлении воздуха создает силу подъемную, которая и поднимает бомбуса в воздух.

Доказательную базу привела в середине XX века женщина-физик из Корнельского университета Чжэн Джейн Ван (Jane Wang). Она потратила много часов, моделируя за сверхмощным компьютером схему движения вихревых потоков, создаваемых шмелиными крыльями, и сделала окончательный вывод: «Шмель не нарушает аэродинамические законы. Его полет зависит от крыльевых завихрений. А при полете самолета воздух обтекает его».

Чжэн отметила, что миф о полете земляной пчелы - это следствие неграмотного понимания инженерами-авиаконструкторами нестационарной газово-вязкой динамики.

источники