Согласно законам физики пчелы не должны уметь летать: правда или миф?
В Интернете можно найти утверждение, что согласно законам физики, пчелы и шмели не должны уметь летать. В некоторых источниках говорится, что в научном центре NASA даже висит плакат с надписью о том, что «аэродинамическое тело пчелы не приспособлено летать, но хорошо, что пчела об этом не знает». Существует такой плакат на самом деле или нет, точно сказать невозможно, однако предположение что жужжащие насекомые нарушают законы физики действительно есть — оно было выдвинуто в первой половине 20 века. Ученые тех времен обратили внимание, что пчелы имеют настолько крупные тела, что их крошечные крылья не способны создать достаточную подъемную силу. Правда ли это, или ученые ошиблись в своих расчетах?
В 1930-е годы ученые решили, что пчелы слишком большие, чтобы уметь летать. Где они совершили ошибку?
Почему пчелы не умеют летать
История гласит, что предположение о неспособности пчел летать появилось в 1930-е годы, во время беседы биолога и специалиста по аэродинамике. Первый спросил, не кажется ли его собеседнику странным, что крупные насекомые летают при помощи маленьких относительно их тела крыльев. Эксперт по аэродинамике сделал несколько быстрых расчетов и объявил, что исходя из веса пчелы и площади ее крыльев, она не должна уметь летать — это противоречит законам физики.
В некоторых источниках говорится, что отрицателем летательной способности пчел является Людвиг Прандтль — немецкий механик и физик, который внес огромный вклад в основы гидродинамики и разработал теорию пограничного слоя. Другая версия гласит, что автором предположения является швейцарский ученый Якоб Аккерет, который тоже работал в области аэродинамики и известен как один из главных экспертов в воздухоплавании 20 века. Но, скорее всего, авторами расчетов были французский энтомолог Антуан Маньян и математик Андре Сент-Лагю.
Ученые решили, что пчелы не должны уметь летать потому, что в первой половине 20 века очень мало знали об особенностях полета насекомых
Итак, ученые пришли к выводу, что пчелы не должны уметь летать. Однако, их расчеты с самого начала были ошибочными, потому что все происходило во времена, когда наука не была так хорошо развита, как сейчас. В тридцатые годы прошлого столетия ученые не могли разглядеть как именно насекомые машут крыльями. Поэтому расчеты велись так, как будто насекомые летают как самолеты с жесткими крыльями.
Интересный факт: самый первый самолет в мире назывался «Флайер 1» и был создан в 1903 году братьями Уилбером и Орвиллом Райт. На сегодняшний день одна часть этого летательного аппарата находится на Марсе.
Как летают самолеты
Самолеты с жесткими крыльями летают совершенно не так, как насекомые. Они держатся в воздухе за счет разного давления над крыльями и под ними — оно возникает за счет того, что нижняя часть каждого крыла ровная, а верхняя имеет выпуклость. Когда самолет летит, его крылья буквально разделяет воздушный поток на две части. За счет выпуклости, скорость верхнего потока увеличивается, а нижний поток остается таким же. В результате этого, давление на самолет сверху снижается, а снизу увеличивается. Летательное средство будто бы плывет по воздуху.
На летательную способность самолета также сильно влияет угол атаки крыла
Как летают насекомые
В отличие от самолетов, пчелы и другие насекомые имеют гибкие крылья. Они не только махают ими вверх и вниз, но и совершают круговые движения. В результате под ними образуется вихрь воздуха, который и позволяет маленьким крыльям поднимать массивные тела пчел и шмелей. Благодаря сверхточным камерам было выяснено, что пчелы способны совершать до 250 взмахов крыльями в секунду и лететь со скоростью до 65 километров в час. Когда человек видит пчел и шмелей в процессе опыления растений, они могут показаться неторопливыми созданиями. Но, на самом деле, они могут демонстрировать впечатляющую быстроту.
Полет пчелы в замедленном действии
В конечном итоге получается, что утверждение о том, что пчелы нарушают законы физики и на самом деле не должны уметь летать — это миф, который был порожден ошибочными вычислениями.
Если хотите еще больше любопытных статей, подпишитесь на наши каналы в Дзен и Telegram. Будьте уверены, что не разочаруетесь!
Напоследок стоит отметить, что ученые до сих пор узнают о пчелах много интересного. Например, в 2022 году ученые провели научный эксперимент и выяснили, что шмели любят развлекаться с игрушками так же, как и многие другие виды животных вроде собак и кошек. Если дать им небольшой шарик, они хватаются за них лапками и катаются на них верхом. Если хотите узнать подробности об этом исследовании, читайте статью моего коллеги Андрея Жукова «Пчелы любят играть с игрушками?».
Феномен невозможности полета пчелы
Согласно всем законам авиации полет пчел и шмелей просто невозможен. Их крылышки слишком малы, чтобы поднять с земли в воздух толстые и неповоротливые тела. Пчела, конечно, плевать хотела на подобные правила, и преспокойно летает с цветка на цветок.
Идея о невозможности полета пчелы обсуждается учеными уже более 80 лет. И даже превратилась в нашу эпоху в интернет-мем. Но самом деле это абсолютная чепуха, потому что наука знает, какой принцип полета у пчелы.
Источник мифа отсылает нас к истории, которая произошла с одним швейцарским физиком, которому во время обеда милая дама задала вопрос: почему пчела или шмель летают, если у них слишком маленькие крылышки по отношению к телу? Физик сделал грубые подсчеты на обратной стороне салфетки и пришел к выводу, что, действительно, подобные насекомые нарушают все правила аэродинамики и летать не могут.
И уж конечно, физик во время грубых расчетов сделал ряд не совсем правильных приближений, главные из которых в том, что он рассматривал крыло пчелы как неподвижное крыло самолета, а обтекание профиля крылышка насекомого воздушными потоками рассмотрел через призму линеаризованной теории, считающей, что воздух во время полета движется ламинарными течениями, то есть ровными слоями и с минимальными колебаниями. Разумеется, такой поход абсолютно не верный. Если вы с помощью приближений в научной теории пытаетесь доказать, что переменная Х — невозможна, а она откуда-то появляется, то это не значит, что наука ошибается, предлагая неверные формулы, просто вы используете плохую аппроксимацию.
Ну а как же летает пчела?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо понять, что методы приблизительных расчетов не дают нам полную картину, так как не учитывают турбулентные потоки, возникающие вокруг крылышка насекомого. Полное аэродинамическое исследование вращений и взмахов пчелиных крыльев показало, что во время колебательного цикла на их кромках возникает срыв воздушного потока, приводящий к сильной турбулентности. Тот же эффект виден у самолета, когда с законцовок крыла срывается воздушный поток. Авиалайнеру турбулентность не нужна и даже вредна для него, а вот насекомые без нее не смогут летать в воздухе. Вихри над крылышком пчелы создают сильную подъемную силу, которая помогает ей легко взлетать даже с неповоротливым и тяжелым телом. Швейцарский ученый при расчетах ошибся, потому что не учел, насколько велика эта подъемная сила, которая заметно влияет на аэродинамику, и этим нельзя пренебрегать при аппроксимации.
В дополнение стоит сказать, что пчеле помогает ее малый размер. В этом случае на обтекаемый воздухом объект начинает влиять число Рейнольдса, которое характеризует переход от ламинарного потока к турбулентному и указывает на повышение вязкости среды.
Если говорить простыми словами: из-за того, что размеры пчелы такие маленькие, а взмахи крылышек такие быстрые, что воздух вокруг насекомого превращается в густой сироп (а может быть мед?), который позволяет объекту более энергично и легко забираться вверх, чем мы, более крупные существа, можем интуитивно себе представить.
За всем этим, разумеется, стоит более сложная физика. Но основной момент в том, что крылышки намеренно делают срыв потока и образуют вихри турбулентности для подъемной силы, а малые масштабы позволяют телу пчелы оказаться в более вязком режиме воздушной среды.
Смогут ли люди летать подобно пчелам?
Скорей всего, нет. Тела людей слишком крупные, чтобы обработать воздух вокруг себя, превратив его вязкую среду, что прекрасно удается пчелам. К тому же вертикальные подъемные вихри можно создать более простым способом, к примеру, как это делает вертолет, и не изобретать складывающиеся крылья как у пчелы.
Источник Фото Unsplash Josephine Amalie Paysen
Наука в мире животных: как и почему летают пчелы и шмели
В 2007 году появился фильм «Bee Movie», посвященный насекомым. Фильм неплох, но в нем прозвучало мнение, что пчелы, согласно принципам авиации, не должны летать, но летают. Это мнение быстро распространилось, и его принялись повторять на все лады журналисты, популяризаторы науки и обычные люди. Справедливости ради стоит заметить, что заблуждение о невозможности полета пчел и шмелей существовало задолго до фильма — где-то с начала XX века.
Проблема в том, что пчелы, шмели и другие летающие насекомые — вовсе не самолеты. Конечно, если рассчитывать подъемную силу крыльев пчелы при помощи математического аппарата авиастроения, то вывод будет, как и в фильме — пчелы и шмели не должны летать. Их небольшие крылышки просто не разовьют подъемную силу, достаточную для того, чтобы насекомое поднялось в воздух. На самом деле все гораздо сложнее и интереснее одновременно.
Взмахи крылышками и динамическое сваливание
У обычных самолетов крылья имеют достаточно жесткую конструкцию, они закреплены на корпусе самолета и составляют с ним единое целое. У них есть определенная степень гибкости, но с точки зрения аэродинамики существенного эффекта она не оказывает. Именно благодаря неподвижности крылья самолета обеспечивают значительную подъемную силу, которой достаточно для того, чтобы аппарат тяжелее воздуха оторвался от поверхности и летел.
У крыльев самолета — специфический аэродинамический профиль. Если увеличить угол наклона крыла по отношению к воздушному потоку, крыло создаст бОльшую подъемную силу. Но если угол будет слишком большим, то подъемная сила исчезнет, этот эффект называется сваливанием. Исчезни подъемная сила — и самолеты попадают.
У пчел, как и многих других насекомых, нет неподвижных крыльев, как у самолета. Для того, чтобы лететь, им нужно активно махать крыльями — это позволяет как бы оттолкнуться от воздуха и создать подъемную силу. Крылья в процессе взмаха совершают невероятно сложную траекторию движения. Крыло выполняет сложные движения на всем пути от начальной точки до конечной. Машущее крыло создает подъемную силу благодаря целому ряду физических явлений.
Первое из них — образование сильного завихрения на передней кромке крыла. Это явление называется динамическим сваливанием или же отсутствием сваливания (dynamic stall, absence of stall). Крыло находится под очень большим углом атаки при движении вверх и вниз. Угол атаки — угол между направлением вектора скорости набегающего на тело потока и характерным продольным направлением, выбранным на теле, например у крыла самолёта это будет хорда крыла, у самолёта — продольная строительная ось, у снаряда или ракеты — их ось симметрии.
В итоге воздушный поток разделяется с образованием завихрения у передней кромки крыла. В процессе полета завихрение остается на том же месте благодаря особенностям потока. Создается большая подъемная сила — благодаря разнице давлений. Если бы завихрение не возникало, то и подъемной силы бы не было.
Второе — эффекты благодаря вращению крыльев насекомого. При вращении крыла увеличивается завихрение на передней кромке, соответственно, растет и подъемная сила. Изменяя точку вращения крыла, можно менять и подъемную силу при каждом взмахе.
Диаграмма, показывающая разницу в аэродинамических характеристиках крыльев в режимах опережающего, симметричного и замедленного вращения. Черные линии представляют крыло, а точка показывает переднюю кромку. Красные стрелки показывают величину и направление сил. Эти данные были собраны с помощью модели машущего крыла робота. (Дикинсон, Lehmann & Sane, 1999)
А что там у других летающих насекомых?
Сложные механизмы полета наблюдаются не только у пчел, но и у других насекомых и птиц. У многих видов есть собственная техника увеличения подъемной силы с одновременной оптимизацией затрат энергии на выполнение взмаха. Ширококрылые бабочки в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полета цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха, что достигается энергичным хлопком крыльев над спинкой, а затем и в нижней точке.
В итоге при наиболее скоростном миграционном полете, а также при взлете крылья бабочки отбрасывают дискретные вихревые кольца: при хлопке крыльев в верхней точке кольцо отбрасывается назад и бабочка получает толчок вперед; в нижней точке взмаха бабочка хлопает крыльями и отбрасывает кольцо вниз, получая вследствие этого толчок вверх. И наконец, у насекомых с высокой частотой взмаха крыльев отбрасывание мелких дискретных колец становится основным способом создания полезных аэродинамических сил.
У многих насекомых при взмахе вверх возникает кратковременный импульс силы за счет расширения ранее образовавшегося кольца с ускорением воздуха назад. Важнейшую роль играют и особые движения крыльев, включая хлопок в верхней или нижней точке взмаха.
Шмели используют примерно тот же механизм полета, что и пчелы. И они тоже летают без всяких проблем. Проблема с объяснением механизма полета этих насекомых возникла именно из-за сложной траектории крыльев. Пчела совершает около 230 взмахов крыла в секунду, шмель — 300, в некоторых случаях — 400. Благодаря скорости, а также тому, что аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко зафиксированное крыло, насекомые и летают.
Ну а проблема с «невозможностью полета пчелы» возникли из-за неверной трактовки законов аэродинамики в применении к движущимся крыльям, причем без учета ряда принципов механики вязкой среды и газовой динамики.
Вопреки законам физики: почему для полета пчелы «обманывают» гравитацию
Пчелы привлекают внимание и вызывают дискуссии по поводу механики их полета на протяжении десятков лет. Исследователи приблизились к разгадке громкого жужжания.
Related video
В анимационном фильме «Пчелиное кино» исследователи объясняют, как именно пчелы летают. Он начинается с утверждения, что, согласно законам авиации, эти насекомые не должны быть способны к полету из-за того, что их крылья малы по сравнению с их пухленькими телами. Это представление, однако, происходит от более старого мифа, который, возможно, возник в 1930-х годах, пишет IFLScience.
В Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и увлекательные новости из мира науки!
Легенда гласит, что во время вечернего разговора между аэродинамиком и биологом возникла тема полета пчел. Говорят, что аэродинамик, проведя быстрые расчеты на основе веса и площади крыльев, пришел к выводу, что пчелы вообще не должны летать.
В разных вариантах этой истории это утверждение приписывается физику Людвигу Прандтлю или швейцарскому авиационному инженеру Якобу Аккерету. Тем не менее, эта история, скорее всего, является искаженным пересказом заявления, сделанного французским зоологом и авиационным инженером Антуаном Маньяном.
Маньян вместе со своим ассистентом-математиком Андре Сен-Лагуэ начал исследования полетов насекомых. В своих трудах Маньян высказывал, что его первоначальное вдохновение происходило из сферы авиации, и он применил законы сопротивления воздуха к насекомым. Благодаря своим исследованиям он и Сент-Лагуэ пришли к выводу, что полет насекомых, в частности пчел, казалось бы, невозможен.
Независимо от происхождения этого мифа, важно отметить, что он не имеет под собой никакой основы. Пчелы бесспорно обладают способностью летать, тем самым демонстрируя свою совместимость с законами физики. Хотя их физические пропорции могут казаться неподходящими для полета, это наблюдение само по себе не является достаточным доказательством, чтобы отвергнуть их воздушные возможности или искать объяснение их якобы запрещенного полетного поведения, когда они неутомимо собирают нектар.
Расчеты, свидетельствующие о том, что пчелы или насекомые не могут летать, по своей сути являются ошибочными. Сначала ученые пытались понять сложную механику пчелиного полета, несмотря на то, что насекомые бьют крыльями с поразительной скоростью — 230 раз в секунду. Эти трудности частично возникли из-за ошибочного представления о том, что их маленькие крылышки являются жесткими.
Прорыв произошел с пониманием динамики пчелиных крыльев. Вопреки предыдущему предположению, было обнаружено, что пчелиные крылья гибкие и во время полета подвергаются скручиванию и вращению. Крылья пчел выполняют быстрые, попеременные маховые движения: вперед-назад, вперед-назад, вперед-назад. Эти движения создают достаточную подъемную силу, чтобы пчелы могли взлететь.
Во время взмахов крыльев пчелы также создают миниатюрные вихри в окружающем воздухе. Эти вихри имеют более низкое давление по сравнению с окружающей средой, что помогает пчелам начинать и поддерживать полет.
Как летают пчелы?
Таким образом, хотя когда-то механика полета пчел была окутана тайной, наше понимание значительно продвинулось вперед. Пчелы не бросают вызов законам физики; вместо этого, их полет объясняется сложным взаимодействием между движением крыльев, вихрями и аэродинамическими принципами.
Ранее Фокус рассказывал о слепых хищниках глубин. Безглазые угри покоряют бездну, жертвуя зрением.
А также мы писали об уникальном изобретении 19 века, которое предусматривало штормы и прогнозировало погоду. Устройство имело круговую конструкцию, напоминавшую карусель и содержавшую двенадцать стеклянных бутылок, в каждой из которых сидела группа пиявок.
- Читайте нас в:
- Читайте в Telegram
- Читайте в Facebook
- Читайте в Twitter
- Читайте в Google news
- Читайте в Viber
- Теги:
- полет
- исследование
- физика
- животные
- легенды
- пчелы
- Поделиться:
- отправить в Telegram
- поделиться в Facebook
- твитнуть
- отправить в Viber
- отправить в Whatsapp
- отправить в Messenger