Draco Dormiens Nunquam Titillandus
(Никогда не щекочи спящего дракона)
девиз Хогвартса
(Никогда не щекочи спящего дракона)
девиз Хогвартса
Как научить летать золотой снитч?
«Я открываюсь под конец»
Кажется, что это существо не может оторваться от земли и преодолеть силу тяготения. Но на практике это оказывается не так.
Как жуки машут крыльями?
Представьте себе вёсла. Они расположены в держателях – уключинах, гребец прикладывает мышечную силу к концу рычага, заставляя весло описывать круг и толкать лодку вперёд. По сути, крылья насекомых устроены примерно также. Крыло лежит на выросте боковой поверхности сегмента груди – плевральном столбике. Это та часть весла, которая образует плечо рычага. Гребцом же выступают мышцы прямого действия на крыло. Среди них выделяются базальные и субалярные мышцы, отвечающие за опускание и вращение крыла. Помимо гребца, наша лодка имеет подвижные сочленения между носом и кормой: как гармошка в автобусе. Такая конструкция позволяет манипулировать крыльями опосредованно: то есть, мышцы к самому крылу не крепятся, но их действие позволяет прилагать силы к крылу с помощью других морфологических структур. Основные непрямые крыловые мышцы – спинные продольные – располагаются между фрагментами тергитов (спинной стороны грудного сегмента насекомого) и отвечают за опускание крыла. К этой же группе относятся дорсовентральные или, по-простому, «спинно-брюшные» мышцы, – мышцы, поднимающие крыло. Они располагаются между спинной и брюшной частями грудного сегмента. Когда сокращаются дорсовентральные мышцы, спинная сторона сегмента немного опускается, а его края тянут за собой основания крыльев, что вызывает поднятие крыла: насекомое уплощается, спина приближается к брюшку, а крыло из-за этого поднимается. При сокращении спинных продольных мышц части сегментов сближаются между собой, спинная часть сегмента несколько выгибается, а крыло опускается вниз. Даже небольшое искривление спинной части сегмента позволяет манипулировать крыловой пластинкой за счёт длинного плеча рычага крыла (того самого плеврального столбика, весла нашей летающей шестиногой лодки). При всей простоте конструкции она чрезвычайно эффективна: всего несколько небольших мышц обеспечивают весь функциональный аппарат движения крыла. Для сравнения, у птиц мышц, непосредственно участвующих в полёте, минимум 24 штуки – и это только те, которые связаны с крыльями напрямую! На самом деле, летательных мышц у пернатых даже больше. Удивительное рядом!
Кажется, что это существо не может оторваться от земли и преодолеть силу тяготения. Но на практике это оказывается не так.
Критерий подобия (число Рейнольдса)
Критерий подобия (число Рейнольдса) учитывает условия обтекания в зависимости от линейных размеров и скорости движения объекта. При очень малых числах Рейнольдса (до 1) сопротивление тела определяется исключительно силами трения, поэтому оно мало зависит от ориентации тела в потоке. По мере увеличения роли инерционных сил с ростом числа Рейнольдса в движении животных все большее значение приобретает подъемная сила. Диапазон чисел Рейнольдса насекомых простирается от очень низких значений (очень мелкие насекомые: трипсы, некоторые виды жуков и перепончатокрылых) до средних (крупные бабочки, стрекозы, прямокрылые и некоторые другие). При числе Рейнольдса, близком к 1000, за обтекаемым телом уже образуются вихри, а подъемная сила в три и более раз превышает лобовое сопротивление. Там, где силы инерции преобладают над силами трения, движение животных основано главным образом на использовании подъемной силы.
Содержание
Полёты во сне и на драконах
Отчего драконы не летают как птицы?
Как научить летать Золотой снитч?
Можно ли увидеть золотой снитч в Средней полосе России? Золотой может быть и нет, а бронзовый – можно!
Может ли феникс унести Дамблдора из Хогвартса?
Птицы – и волшебные, и нет, – прекрасно адаптированные к полёту существа.
Золотой снитч
Золотой снитч – небольшой летающий магический предмет для любимой игры Гарри Поттера – квиддича. Его лётные характеристики впечатляют – он развивает невероятную скорость при потрясающей маневренности. Поймать его очень сложно, поэтому ловцы – игроки, занимающиеся этим незаурядным делом, должны быть особенно быстрыми и ловкими. Но даже в квиддиче не обойтись без зоологии! Попробуем проанализировать особенности полёта снитча на примере бронзовки – крупного яркого жука, обычного в нашей Средней полосе и чем-то внешне похожего на снитч.
“
«— А это, — сказал Вуд, — это золотой снитч, самый главный мяч в игре. Его очень тяжело поймать, потому что он летает с огромной скоростью, и его сложно заметить. Как раз ловец и должен его ловить. Тебе нужно постоянно перемещаться по полю, чтобы поймать его, прежде чем это сделает ловец другой команды. Команда, поймавшая снитч, сразу получает дополнительные сто пятьдесят очков — а это практически равносильно победе. .
Бронзовка Cetonia aurata во всей своей красе.
Фото: Stanislav Snäll
Фото: Stanislav Snäll
Бронзовки – жуки из семейства пластинчатоусых. Они напоминают снитч не только своими блестящими покровами, но и одной интересной особенностью: дело в том, что при полёте надкрылья бронзовок остаются сложенными, а сами крылья просовываются в специальные вырезы по бокам надкрылий.
Полет крупных насекомых, таких как шмели, бронзовки и майские жуки, а тем более, таких гигантов, как жук-голиаф, вообще вызывает крайнее удивление. Поначалу кажется, что это просто невозможно – поднять какими-то слабыми маленькими прозрачными крылышками такую махину в воздух. Да еще и без реактивного двигателя в добавок.
В 1934 году французский энтомолог Антуан Маньян рассчитал характеристики полёта шмеля и пришёл к выводу, что летать он не должен: крылья коротки, а масса тела слишком велика*. Хорошо, что шмели до сих пор не в курсе, что летать они, по мнению ученых, не могут… Ведь в живой природе, хотя она и подчиняется законам физики, все устроено немного сложнее. Или проще…
* расчеты Маньяна проводились на стационарных моделях и не учитывали динамику движения крыльев и самого насекомого.
Полет крупных насекомых, таких как шмели, бронзовки и майские жуки, а тем более, таких гигантов, как жук-голиаф, вообще вызывает крайнее удивление. Поначалу кажется, что это просто невозможно – поднять какими-то слабыми маленькими прозрачными крылышками такую махину в воздух. Да еще и без реактивного двигателя в добавок.
В 1934 году французский энтомолог Антуан Маньян рассчитал характеристики полёта шмеля и пришёл к выводу, что летать он не должен: крылья коротки, а масса тела слишком велика*. Хорошо, что шмели до сих пор не в курсе, что летать они, по мнению ученых, не могут… Ведь в живой природе, хотя она и подчиняется законам физики, все устроено немного сложнее. Или проще…
* расчеты Маньяна проводились на стационарных моделях и не учитывали динамику движения крыльев и самого насекомого.
Строение крыла насекомых удивительно по ряду причин
Во-первых, в отличие от других летающих животных – птиц, рептилий, рукокрылых – крылья насекомых не имеют никакого отношения к передним конечностям – это самостоятельные, независимо возникшие структуры. Во-вторых, они двухслойны: в полости внутри крыла проходят нервы и трахеи, образуя жилки. Наличие нервов, трахей и гемолимфы (аналога крови у насекомых) доказывает, что крылья насекомых вполне себе живая структура: как, например, наша с вами кожа. Крыльям тоже необходимо питание и дыхание. Жилки, в свою очередь, создают прочностный каркас крыла.
Интересно, что жилкование крыльев настолько стабильно и даже видоспецифично, что учёные используют рисунок жилок для систематики насекомых – по ним можно определить принадлежность животного к тому или иному таксону.
У некоторых летунов на крыльях есть небольшое утолщение – краевой глазок или птеростигма. Это утолщение устраняет вредные самовозбуждающиеся колебания крыла при полёте – флаттер. Флаттер – это кошмар пилотов самолётов: при достижении некоторой закритической скорости все частицы аппарата начинают дрожать и вибрировать, что может привести к саморазрушению конструкции. А в природе всё незамысловато, но в то же время изящно – появилась птеростигма и проблема флаттера решена.
Интересно, что жилкование крыльев настолько стабильно и даже видоспецифично, что учёные используют рисунок жилок для систематики насекомых – по ним можно определить принадлежность животного к тому или иному таксону.
У некоторых летунов на крыльях есть небольшое утолщение – краевой глазок или птеростигма. Это утолщение устраняет вредные самовозбуждающиеся колебания крыла при полёте – флаттер. Флаттер – это кошмар пилотов самолётов: при достижении некоторой закритической скорости все частицы аппарата начинают дрожать и вибрировать, что может привести к саморазрушению конструкции. А в природе всё незамысловато, но в то же время изящно – появилась птеростигма и проблема флаттера решена.
Как летают жуки
Глядя на крупного жука, майского или бронзовку, как-то трудно даже себе представить, что он способен преодолеть силу тяготения и подняться в воздух
Так что же с самим полётом у бронзовок? В принципе, все просто. Масса тела летающего насекомого должна уравновешиваться подъёмной силой, а лобовое сопротивление – силой тяги. Соответственно, для эффективного полета выгодно увеличение подъёмной силы и уменьшение лобового сопротивления.
Чтобы уменьшить сопротивление есть два пути: создать максимально гладкое крыло или уменьшить угол атаки. Но на крыле бронзовки слишком много различных образований – волосков, чешуек, гребней жилок… И здесь в понимании проблемы полета бронзовки нам поможет число Рейнольдса – одна из ключевых лётных характеристик, применимых для небольших летающих объектов.
Число Рейнольдса – это безразмерная величина, дробь, в которой произведение скорости движения среды, обтекающей тело, относительно самого тела на некоторую длину делится на кинематическую вязкость этой среды. То есть, размах крыла нужно умножить на скорость его перемещения и разделить на кинематическую вязкость воздуха.
Чтобы уменьшить сопротивление есть два пути: создать максимально гладкое крыло или уменьшить угол атаки. Но на крыле бронзовки слишком много различных образований – волосков, чешуек, гребней жилок… И здесь в понимании проблемы полета бронзовки нам поможет число Рейнольдса – одна из ключевых лётных характеристик, применимых для небольших летающих объектов.
Число Рейнольдса – это безразмерная величина, дробь, в которой произведение скорости движения среды, обтекающей тело, относительно самого тела на некоторую длину делится на кинематическую вязкость этой среды. То есть, размах крыла нужно умножить на скорость его перемещения и разделить на кинематическую вязкость воздуха.
«Тут она приподняла свой панцирь, выпустив из-под него прозрачный кремовый шлейф. С легким треском панцирь разломился на два тяжелых, похожих на корыта, крыла. Жестко шурша, развернулись еще два крыла, тонких, прозрачных. Они закрутились, затрещали, словно пропеллеры. В лицо путешественникам пахнуло ветром. Божья коровка медленно отделилась от листа и поплыла, удаляясь, над лесом».
Ян Ларри, «Необыкновенные приключения Карика и Вали»
Ян Ларри, «Необыкновенные приключения Карика и Вали»
Оно еще и летает? А как же наши расчёты, согласно которым жуки и шмели летать не могут?
Получается, что и снитч и бронзовка, имея, казалось бы, совсем не аэродинамичное, вальковатое (а в случае мяча – шарообразное) тело, тем не менее, могут летать довольно хорошо – это связано с использованием сил трения и инерции в механике их полёта.
Для маленьких насекомых существует и другая загвоздка – если число Рейнольдса меньше 100, то начинает возрастать коэффициент лобового сопротивления, а это отрицательно сказывается на их лётных характеристиках. Значит надо увеличивать скорость движения крыла! Насекомое совершает поступательное движение крылом косо снизу вверх и вперёд, поворачивает его вдоль продольной оси (передним краем наверх), затем отводит крыло вверх и назад. Получается, крыло описывает «восьмёрку». Такое движение может совершаться за тысячные доли секунды. В результате быстрой работы крылового аппарата, подъёмный и пропеллирующий эффекты сливаются в единый аэродинамический эффект, поддерживающий тело насекомого в воздухе.
Для маленьких насекомых существует и другая загвоздка – если число Рейнольдса меньше 100, то начинает возрастать коэффициент лобового сопротивления, а это отрицательно сказывается на их лётных характеристиках. Значит надо увеличивать скорость движения крыла! Насекомое совершает поступательное движение крылом косо снизу вверх и вперёд, поворачивает его вдоль продольной оси (передним краем наверх), затем отводит крыло вверх и назад. Получается, крыло описывает «восьмёрку». Такое движение может совершаться за тысячные доли секунды. В результате быстрой работы крылового аппарата, подъёмный и пропеллирующий эффекты сливаются в единый аэродинамический эффект, поддерживающий тело насекомого в воздухе.
“
Если сравнивать снитч с жуком, то получается, что его полёт возможен, однако здесь мы столкнёмся с другой проблемой – слишком уж совершенные у него крылышки. По меркам магического мира – ничего особенного, но нашим инженерам-маглам подобное пока недоступно.
Оставайтесь с нами и помните: удивительное можно найти не только в фантастических, но и в реальных тварях!