30 юни 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как лети пчелата и митът за нейния полет

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 26 април 2022 в 00:01 130570
Снимка: Pixabay

Кой ли не е срещал тази мотивираща легенда, че "в НАСА виси плакат, където пише следното: “Законът на физиката казва, че земната пчела не може да лети, всеки аеродинамичен принцип казва, че размерът на крилата е твърде малък, за да поддържа огромното й тяло в полет, но пчелата не го знае, тя не разбира нищо от физиката. И все пак лети.”

Манипулативният извод е:  вярвай в чудеса, невежеството е по-силно от науката. Но историята показва, че хората вярват в каквото си искат и рядко правят проверка на фактите.

Ако доказвате, че X е невъзможно, но X очевидно се случва, причината не е, че „науката не може да обясни X“, а че със сигурно сте сбъркали в изчисленията си или не сте взели нещо предвид. Както се оказва в края на краищата.

 Забавен коментар на тази легенда дава Карл Смолууд (Karl Smallwood):

"Ако беше така, докато летят пчелите щяха да предизвикват разкъсване на пространство-времето. Вероятно щяхме да усетим, когато две трети от нашата популация изчезнат, изсмукани в мънички, черни дупки във формата на пчела. И, разбира се, ако това беше така, всеки физик, мечтаещ за Нобелова награда, щеше да посвети цялото си време на нарушаване на кода за летене на пчели, за да опровергае част от нашето разбиране за физика".

Кредит: https://www.pikist.com/free-photo-vmpqi 

Историята за насекомите, които се "противопоставят на науката", се цитира по различни начини, с различни подробности, но очевидно се случва нещо интересно.

Откъде идва митът за полета на пчелите? Сметки от началото на миналия век.

Мемът, че пчелите не могат да летят, е изключително разпространен и изненадващо стар.

Разпространена версия разказва, че въпросът как е възможно да летят насекомите, е възникнал преди много години, когато биолог попитал инженер, с който вечеряли заедно: "Пчелите и осите имат много крехки крила, но тежки тела. И така, как биха могли да летят?". Инженерът бързо написал няколко изчисления на салфетка и стигнал до заключението, че пчелата не трябва да може да лети.

Инженерът прави две предположения в своите изчисления. Първото предположение е било, че крилата на пчелите са плоски плочи, които са предимно гладки (като крила на самолет). Второто предположение е било, че когато въздухът обтича крилата на насекомо, той лесно се разделя от крилото. И двете от тези предположения се оказват напълно неверни - както може би и произходът на нашия мит.

В интернет има доста интересен документ от 1989 г, на Джон Макмастър, тогава главен инженер в Boeing, който разказва, че митът датира от 30-те години на миналия век, когато в книгата си Le Vol Des Insects (Hermann and Cle, Paris, 1934) френският ентомолог Август Манян (August Magnan) отбелязва:

“В началото, окуражен от човек, свързан с авиацията, аз приложих към насекомите законите за съпротивление на въздуха и стигнах, заедно с м-р Sainte-Lague, до заключение, че летенето им е невъзможно.”

По-ранен източник посочва професор Ейдриън Томас (Adrian Thomas), специалист по динамика на животните:

По време на Първата световна война първият подробен анализ на полета на животните от Райнхард Демол (Reinhardt Demoll) „Der Flug der Insekten und Vogel“ е публикуван през 1918 г. и представя подробни измервания на морфологията на полета, скоростите на полета и честотата на ударите на крилата на птици и насекоми. Демол идентифицира няколко различни стила на полет - полет-хвърчило, полет със загребане на крилата, ветроходен полет, планиращ полет, пърхащ (висящ, кръжащ) полет. Той предполага, че полетът тип хвърчило е нормалният режим на полет напред на птици и самолети, но че полета - хвърчило е много различно от кръженето (hubbewegung), което според него е нормалният режим на полет за насекомите. Той дори изчислява как кръженето се различава от полета на хвърчило:

Ако домашните мухи летят като хвърчило, те ще се нуждаят от крила с площ 42 пъти по-голяма на грам телесно тегло, отколкото всъщност имат. Той очевидно вече е бил наясно, че при конвенционалната аеродинамика крилата на насекомите са твърде малки, за да издържат теглото си. Демол обаче е бил биолог, а не инженер.

Поради ниските скорости и голямото съпротивление, може да изглежда, че не би трябвало насекомите да могат да летят. В действителност те просто летят по съвсем различен начин.

По-късно Демол пише, че крилата на насекомите са по-ефективни в сравнение с витлата и крилете на самолетите.

Така първоначалните груби изчисления на инженерите по аеродинамика са „доказали“, че насекомите не могат да летят, поне не като самолети. Но това не е краят на историята.

Но дотогава прекалено усърдните журналисти разпространиха мита, който неволно бе създаден. Историята полетя, въпреки че пчелата уж не можеше. И все пак проблемът как летят насекомите е толкова труден за разрешаване, че е обяснен едва през последните 20 години. 

И все пак тя лети...без да нарушава законите на аеродинамиката

Самолетите могат да летят благодарение на точния баланс на четири физически сили: подемна сила, съпротивление, тежест и тяга. Подемната сила трябва да балансира теглото, а тягата трябва да надвишава съпротивлението, за да направи възможно летенето. Самолетите използват крила за издигане и двигатели за тяга. Съпротивлението се намалява благодарение на опростената форма и леките материали.

Размахът на крилата на самолета е достатъчно голям, за да удовлетвори уравненията на подемната сила за полет, така че не е необходимо самолетът да маха с крила. Но малките крила на пчелата в сравнение с нейното относително дебело тяло не са. Обикновен самолет Boeing 747 също може да излети с приблизително 300 км/час, докато пчелите са далеч под тази скорост.

Старият мит, че "земните пчели не трябва да могат да летят" се основава на изчисления, използващи аеродинамичната теория от 1918-1919 г., само 15 години след като братята Райт извършват първия си полет. А оттогава учените са направили огромен напредък в разбирането на аеродинамиката и как различните видове въздушен поток могат да генерират подемна сила. 

И така, как лети пчелата?

Едно проучване от 2005 г. помогна да се обясни начина, по който пчелите се издигат от земята. Учените сравняват пчелите с плодовите мушици и установяват, че плодовата мушица има една осемдесета от размера на тялото и размахва крилата си със скорост от 200 пъти в секунда. За сравнение, медоносните пчели маха с крила 230 пъти в секунда.

Това е било изненадващо, защото по-малките насекоми обикновено трябва да махат с крила по-бързо, за да компенсират намалените си аеродинамични характеристики. За да се усложнят още повече нещата, пчелите също често носят товар от цветен прашец и нектар, който понякога тежи колкото цялото им тяло.

В проучването изследователите поставят пчелите в малка камера, пълна с кислород и хелий, смес, която е по-малко плътна от обикновения въздух. Пчелите е трябвало да работят повече, за да останат във въздуха, което позволява на екипа да наблюдава как компенсират.

Учените виждат, че пчелите разтеглят амплитудата на хода на крилата си, но не коригират честотата.

Резултатите показват, че нестабилните сили по време на обртния ход внасят голям принос за резултиращята възходяща сила по време на зависване, но играят по-малко роля, тъй като животното увеличава амплитудата на удара и мощността на полета. Кредит: Short-amplitude high-frequency wing strokes determine the aerodynamics of honeybee flight; Douglas L. Altshuler, William B. Dickson, Jason T. Vance, Stephen P. Roberts, and Michael H. Dickinson; December 5, 2005 | 102 (50) 18213-18218 | https://doi.org/10.1073/pnas.0506590102 

Друго проучване от 2005 г., направено от професор по биология Майкъл Дикинсън (Michael H. Dickinson) от Вашингтонския университет, събира данни с помощта на високоскоростна фотография на реални летящи пчели и сензори за напрежение върху по-голямо роботизирано пчелно крило, махащо в минерално масло. Той заключава, че пчелите махат с крилата си напред-назад, а не нагоре-надолу. Преди това това е господствало погрешното схващане за начина, по който летят насекомите, и това може да е спъвало първите изследователи на проблема.

Кредит: Michael H. Dickinson

Крилото на самолета изтласква въздуха надолу, което избутва самолета нагоре.

Насекомите махат крилете си с частично завъртане (вижте видеото по-горе). Крилата редуват ъгъла или наклона си циклично по време на полета, за да произведат тяга и да задвижат насекомото напред, като същевременно успяват да избегнат спирането на полета. Подобно на витло на хеликоптери, при всеки удар крилата се завъртат около основата си в тялото и се преобръщат, очертавайки елипса. Този начин на движение на крилата на насекомите създава джобове с ниско въздушно налягане, което от своя страна създава малки вихри над крилото на пчелата, които я издигат във въздуха и по този начин й дават способността да лети.

Вихрите, образувани по време на полет, които помагат на насекомите да летят напред чрез махане на крилата. Кредит: Willmer et al. (2000).

Въздушен поток, отделящ се от аеродинамичен профил под голям ъгъл на атака, както се случва при срив. Кредит: Wikimedia Commons

Специалистите по аеродинамика разказват, че ъгълът към крилото създава динамичен срив (dynamic stall) над крилата им, което е изтегляне на въздуха по-бързо над крилото, генерирайки мащабен „вихър в предния край“ на горната страна на крилото. Така насекомите разчитат почти изцяло на динамично задържане във въздуха, произвеждайки подемна сила при условие че осцилациите на крилата са бързи в сравнение със скоростта на полета и ъгълът на крилото се променя бързо в сравнение с посоката на въздушния поток.

По-простичко (както може да се обясни на децата): когато пчелите махат с крила, се образуват вихри във въздуха като малки урагани. "Окото" на тези мини урагани всумква околния въздух, което издига пчелите нагоре.

Как пчелите успяват да "зависват" във въздуха като хеликоптери

За да могат пчелите да кръжат, тялото им трябва да е почти вертикално и да има хоризонтална равнина на махане. В това положение крилата се въртят най-малко на 100˚ в края на маха, за да позволят ъгълът на крилата да бъде подобен на нормалното летене. Това създава още повече вихри, които избутват въздуха надолу и поддържат насекомото във въздуха и то се рее. Интересно е, че същият механизъм на летене на земните и медоносни пчели е повлиял на развитието на полета на хеликоптерите.  

Земна пчела, използваща техниката на висящия полет. Кредит: Pixabay Силата на избутания надолу въздух се вижда най-добре над водата. Кредит: US Coast Guard

Независим контрол на крилата

В зависимост от позицията на крилото или типа полет, вихрите се създават по различен начин.

Екипът на д-р Ричард Бомфри (Richard Bomphrey) от Катедрата по зоология, съавтор на доклад за изследване от 2009, публикуван в Experiments in Fluids, използва визуализация с дим, за да изследват вихрите, генерирани от пчелите. Те установяват, че пчелите създават различни вихри с лявото и дясното крило.

Движения на крилата при полета на земни пчели. Пчела в страничен полет, показани са димните линии, които се увличат във вихри на върха на крилото (червена стрелка) и вихри на корена на крилото (жълта стрелка).

Димът показва аеродинамичната независимост на двойките противоположни крила. 

Кредит: Richard J Bomphrey et al.

Изследователите откриват, че полетът на пчелите е изненадващо неефективен – аеродинамично казано, това е сякаш насекомото е „разделено наполовина“, тъй като не само лявото и дясното му крило се размахват независимо, но и въздушният поток около него никога не се съединява, за да му помогне да се носи във въздуха по-лесно.

Такова екстремно аеродинамично разделяне между ляво и дясно отличава пчелата (Bombus terrestris) от повечето други летящи животни.

Наблюденията на екипа на  д-р Ричард Бомфри показват, че вместо аеродинамичния финес, открит при повечето други насекоми, пчелите са възприели подхода на грубата сила, задвижван от огромен гръден кош и подхранван от богат на енергия нектар, съобщава д-р Бомфри. Този ​​подход може да се дължи на особено широката му форма на тялото или би могъл да еволюира, за да направи пчелите по-маневрени във въздуха с цената на по-малко ефективен стил на летене, защото тяхната основна работа е да транспортират нектар и цветен прашец към кошера.

Това може да ви накара да попитате защо пчелата е развила този енергоемък механизъм. Може да е просто биологичното ограничение на големия гръден кош на пчелата, което не позволява да се направи нито един вихър. Но той може да се е развил, за да даде на пчелата по-независим контрол над лявото и дясното крило и следователно висока маневреност при търсене на вкусен прашец.

Сравнение на образуването на вихър от земни пчели (вляво) и скакалци (вдясно) (А) и подемни сили (В). Кредит: Richard J Bomphrey et al.

Турбулентен режим

Най-общо казано, движението на флуидите (газове и течности) може да се сведе до два режима: ламинарен и турбулентен. При ламинарното движение частиците се движат успоредно и може да се опише с прости формули, измислени отдавна. Уви реалността е по-сложна и почти навсякъде в една или друга степен се наблюдава турбулентно, нестабилно, хаотично движение - от буйните потоци вода до бурните атмосферни явления, включително споменатите по-горе ураганчета. Преходът от ламинарен към турбулентен режим е свързан с числото на Рейнолдс, което зависи от вискозността на флуида.

Този начин да движение се описва трудно и почти задължително с моделни изследвания. Освен сложните формули, тук проблеми създават и силната зависимост от неопределими начални условия като познатата пеперуда с капризен нрав, която размахала крилца някъде и предизвикала урагани в другия край на земното кълбо.

Затова, когато учените не са разполагали с изчислителната мощ на компютрите, им е било трудно да моделират такива сложни процеси.

Числото на Рейнолдс

На пчелите се помага поради и малкият им размер, което означава, че числото на Рейнолдс, свързано с техния полет, ги поставя стабилно в режим, при който флуидът е силно вискозен.

Накратко, тъй като насекомите са толкова малки и крилата им се движат толкова бързо, въздухът около крилата им действа като гъст сироп, дори мед, което им позволява да генерират много повече подемна силае от нас, на напълно различен мащаб, обикновено интуитивно би предсказал.

Очевидно физиката, която обуславя полета на насекомите е много по-сложна от това, но най-важните моменти са динамични сривове, произвеждащи вихри, и достатъчно малък мащаб, за да става това във вискозен и турбулентен режим.

Можем ли и ние да летим, махайки с крила?

Отговорът е не – като за начало, хората са далеч отвъд мащаба, при който можем да третираме въздуха като вискозна течност по същия начин, както пчелите, просто ние сме твърде големи.

Да се ​​генерират вихри е малко по-осъществимо - хеликоптери и други подобни апарати правят нещо подобно - но има много основателна причина да нямаме самолети, които махат с крила, докато летят.

Може би стана ясно, че дори науката да "не знае нещо" сега (може и да греши), благодарение на човешкия стремеж към повече знания, след време това се променя.

И да не се опитваме да летим като пчели - ние сме доста по-големи от насекомите, за да се събере в мозъчните ни кутии повече потенциал, който можем добре да използваме.

Справка:

Short-amplitude high-frequency wing strokes determine the aerodynamics of honeybee flight
Douglas L. Altshuler, William B. Dickson, Jason T. Vance, Stephen P. Roberts and Michael H. Dickinson
PNAS, December 5, 2005 | 102 (50) 18213-18218 | https://doi.org/10.1073/pnas.0506590102

Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight
Michael H. Dickinson, Fritz-Olaf Lehmann, Sanjay Sane
July 1999Science 284(5422):1954-60
DOI:10.1126/science.284.5422.1954

Bomphrey, R.J., Taylor, G.K. & Thomas, A.L.R. Smoke visualization of free-flying bumblebees indicates independent leading-edge vortices on each wing pair. Exp Fluids 46, 811–821 (2009). https://doi.org/10.1007/s00348-009-0631-8

Източници:

Научни градски легенди, Физическият факултет (ФзФ) към Софийски университет “Св. Климент Охридски” (pdf)

Explained: The Physics-Defying Flight of the Bumblebee
Joseph Calamia, Life's Little Mysteries

The Bumblebee Flight Myth
Professor Adrian Thomas, CSO, Animal Dynamics

How Do Bees Fly?
Quora

The 'bumblebees can't fly' lie, Karl S. Kruszelnicki, ABC Science

The Flight of the Bumblebee, Kathleen Garland - University of Queensland

Bumblebee flight 'triumph of power over finesse', Oxford University

Bumblebee Flight Does Not Violate the Laws of Physics, Karl Smallwood

Deciphering the Mystery of Bee Flight, Caltech

This myth people keep quoting about how bees shouldn't be able to fly is scientifically incorrect — here's why
Lindsay Dodgson, businessinsider

Видео:

Is It True That Bumblebees Shouldn't Be Able to Fly?

Michael Dickinson: How a fly flies, TED


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.