Почему летает шмель

Почему шмель не может летать по законам физики

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.

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 шмель не может летать с такими физическими данными.

Ошибочная гипотеза

Математическими формулами и законами аэродинамики объясняли полеты многих насекомых:

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.

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.

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.

Шмель летать не должен

По законам, понимаешь, современной аэродинамики шмель летать не может. Не должен, падла, летать! А он летает… сука насекомая неграмотная.

» — Веллер, «Ножик Сережи Довлатова»

Шмель летать не должен — известный «научный» парадокс, на самом деле, давно уже переставший быть таковым, но всё ещё нередко воспроизводимый разными недалёкими личностями. Иногда вместо шмеля подставляется майский жук, но сути это не меняет.

Полностью этот боян звучит так: «По законам физики шмель летать не должен, но он об этом не знает и всё равно летает». От одной только такой постановки проблемы забьётся в конвульсиях не то что учёный, но и любой здравомыслящий человек, понимающий, что наука призвана вовсе не огораживать человечество от окружающего мира, а как раз таки рационально этот мир познавать. Но обо всём по порядку.

Содержание

[править] Предыстория

Рождение сабжа овеяно легендами и относится к началу ХХ века, когда один великомудрый учёный (имена называются разные, чуть ли не сам Людвиг Прандтль) решил произвести расчёт подъёмной силы крыльев шмеля. Почему именно шмеля? Шмель — насекомое с символизирующим латинским названием Bombus, имеет слишком маленькие крылья относительно размеров и массы собственного тела, но при этом всё равно умудряется летать, в связи с чем представляет для исследований особый интерес.

Поскольку дело было только на заре аэродинамики, учёный применил к шмелю формулы расчета подъёмной силы самолётов, в результате чего потерпел фейл и заключил, что шмель летать не должен и делает это фактически вопреки законам физики. Даже если это и правда, то проделал он всё это, вероятнее всего, исключительно для лулзов, потому как не мог не понимать, что аэроплан, в отличие от шмеля, крыльями не машет, механика полёта у него совсем другая и к шмелям она по определению не подходит. Изучение полёта насекомых, таким образом, ждало своего часа. Тем не менее, попирающий основы мироздания шмель, не дожидаясь, меметизировался и полетел пошёл в народ, где снискал широкую популярность и как аргумент в пользу бессилия науки, и как годный катализатор СПГС, и просто как прикол, которым не грех под стакан повеселить друзей и коллег по работе.

[править] В миру

В те времена и правда едва ли представлялось возможным достойно изучить полет насекомых уже просто потому, что уровень возможностей фотоаппаратуры долгое время не позволял фиксировать точную траекторию движения их крыльев. С достижением оного, а также развитием этой самой аэродинамики с открытием новых законов и принципов, сабж постепенно стал утрачивать ореол таинственности и не так давно лишился его вовсе. Ныне интернеты полнятся ликованием относительно того, что очередные британские ученые в очередной раз «опровергли распространённое заблуждение о невозможности полёта шмеля».

Тем не менее, сабж в изначальном виде всё ещё предсказуемо популярен в социальных сетях [1] , как известно, чуть менее, чем полностью заполненных любителями «эффектных» цитат и демотиваторов различной степени безграмотности, не привыкшими проверять ту поебень, под которой подписываются. Также эта мудрая мысль слегка обстёбывается в мультике «Би Муви. Медовый заговор», только там не должна летать уже пчела.

[править] Разбор полётов

Механика машущего полёта насекомых — реально сложный матан, и далёкий от физики человек едва ли сможет его полностью понять и уж тем более объяснить другому, просто прочитав его описание. Что касается конкретно шмеля, то очень упрощённо суть можно пояснить так: при быстрых-быстрых взмахах крыльев, имеющих определённую гибкость и траекторию движения, у их краёв образуются кольцевые завихрения воздуха, которые «сбрасываются» при завершении взмаха и создают насикомому необходимую подъёмную силу и определяют направление движения.

Следует, всё же, заметить, что шмель, несмотря на применение передовых достижений в биомеханике, далеко не самый искушенный летун среди своих членистоногих собратьев. Миллионы мух летают аналогичным шмелю образом, однако при этом, в силу ряда причин, они более приспособлены к тому самому высшему пилотажу, который вызывает у анонимуса тонны ненависти и сильно затрудняет их последующее истребление. А вот более подкованные в физике бабочки умеют использовать в процессе перемещения различные принципы, не ограничиваясь сбросом воздушного потока. Они тоже упорно не вписывались ни в какие теории до того, как скоростная киносъёмка дефлорировала их тайну. Крейсерский полёт у бабочек не менее хитрожопый, чем у шмеля: бабочки «аплодируют» крыльями, смыкая их сначала концами, а потом уже по всей площади. Воздух из этой трубки по мере её схлопывания выталкивается назад, бодро подталкивая расписную тварь вперёд и вверх. Кроме того, бабочки умеют планировать, расправив крылья, там, где шмель, сделав то же самое, просто ёбнется жопой о землю.

Муха, оседлавшая вихрь.

Бабочка вертикального взлёта.

В итоге остаётся только в очередной раз преклонить колени перед матерью-природой, создавшей такие сложные и совершенные лётные механизмы для своих насекомых отпрысков, несмотря на то, что особого профита от их исследований всё равно нет — бытует мнение, что в человеческих масштабах полёт насекомого не воспроизвести — не позволит всё та же физика, но это уже совсем другая история.

Вне закона: 6 организмов, которые не должны существовать

На планете есть организмы, которые не должны существовать, ведь они нарушают законы физики и биологии. Тем не менее такие живут — и прекрасно себя чувствуют. Как им это удается?

Жираф

Существование жирафа — нонсенс, так как даже их десятикилограммовое сердце не в состоянии поднять столб крови на высоту трех метров до головы слишком высокого давления, которое заодно должно разрывать сосуды шеи. Жираф не может наклоняться: прилива крови к голове неизбежен обморок. Давление в ногах жирафа составляет около 400 мм рт. ст. Для людей фатальны куда меньшие значения, и в сосудах наших ног давление не превышает 90 мм рт. ст.

Хотя у жирафов огромное сердце, относительно размеров тела оно оказывается вполне среднестатистическим. Только в 2016 году ученые выяснили, что требуемое для подъема крови усилие создается за счет необычного строения желудочков и их укрепленной стенки. Чуть ранее было показано, что сосуды шеи не разрываются благодаря чрезвычайной эластичности, а сосуды в ногах, наоборот, напоминают крепость — настолько утолщены их стенки. Кроме того, сосуды умеют очень сильно сжиматься, чтобы противостоять внешнему давлению. А кровь не приливает к голове, когда жираф наклоняется, так как скапливается в идущих вдоль шеи венах.

Тихоходки / Tardigrada

Побывав за бортом МКС, в глубоком вакууме и космическом холоде, тихоходки выжили, а после дали плодовитое потомство. Эти существа выдерживают широкий спектр излучения, дозы которого в тысячу раз превосходят смертельный для человека уровень, нагревание до 150 °C и давление в 6000 атмосфер (нормальное давление у поверхности — 1 атмосфера).

Оказываясь в экстремальных условиях, тихоходки впадают в анабиоз: их метаболизм замедляется до 0,01% от нормального, а содержание воды в тканях падает до 1% от нормы. Клетки тихоходок выдерживают обезвоживание благодаря особым сахарам и белкам, которые принимают на себя неблагоприятные воздействия. ДНК крошечных животных защищают от радиации уникальные белки семейства dsup, которые «обволакивают» нуклеиновые кислоты, не давая излучению добраться до генов. Эти же белки спасают ДНК тихоходок от повреждения сильными окислителями вроде перекиси водорода.

Шмель

Относительно небольшие крылья не могут развивать подъемную силу, достаточную, чтобы удерживать тяжелого шмеля. Первым на этот факт обратил внимание в 1934 году французский энтомолог Антуан Маньян. Исследователь готовил к изданию свой учебник под названием «Полет насекомых», и ему понадобилось рассчитать характеристики полета шмеля. Маньян поручил вычисления помощнику, инженеру Андре . Тот, применив известные тогда принципы аэродинамики, однозначно заключил, что шмель летать не может.

Законы физики не мешают шмелям летать, просто принципы полета насекомых совсем не те, что применяют при конструировании самолетов. В отличие от самолетных крыльев шмелиные при взмахе изгибаются, создавая , которые поднимают насекомых вверх и при взмахе, и при опускании крыльев.

Кенгуру

За один прыжок кенгуру преодолевают до девяти метров, а прыгать они могут часами. Расчеты показывают, что такая прыгучесть требует минимум в 10 раз больше энергии, чем звери получают из пищи.

Упругие сухожилия в задних конечностях запасают до 70% энергии для прыжка. Кроме того, задача оттолкнуть тело от земли значительно облегчается за счет компенсаторных движений разных частей тела кенгуру, в первую очередь хвоста и головы. Простые расчеты, подразумевающие, что кенгуру — нечто вроде мешка с картошкой, который нужно поднимать и опускать на землю, не включают все эти факторы.

Археи / Thermococcus gammatolerans

Эти похожие на бактерий существа переносят дозу радиации в 30 000 грей. Человек умирает, получив всего 5 грей: излучение такой интенсивности в клочки рвет ДНК. Кроме того, T. gammatolerans отлично себя чувствуют в кипятке: в гидротермальных источниках, где их обнаружили в 2003 году, температура достигает 100 °C.

Как T. gammatolerans выдерживают убийственную радиацию, до конца неясно. Микроорганизмы восстанавливают ДНК благодаря очень активным системам «ремонта» нуклеиновых кислот. Но их недостаточно, чтобы противостоять дозе в 30 000 грей, так что исследователи активно изучают T. gammatolerans: возможно, их способы защиты удастся применить для «починки» повреждений ДНК у человека.

Колибри

Если бы автомобиль ездил со скоростью колибри (относительно своих размеров), он бы развивал сумасшедшие 2090 км/ч — в 1,7 раза быстрее скорости звука! За секунду колибри перемещается на расстояние, в 380 раз превышающее длину ее тела. за то же время преодолевает дистанцию в 38 раз больше собственной длины. Чтобы так разгоняться, птичкам приходится делать до 80 взмахов в секунду. При этом «полетный КПД» мышц крыльев не превышает 20%, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Учитывая, что колибри живут в жарком климате, а перья не дают теплу уходить в окружающую среду, птицы должны нагреваться до температур, несовместимых с жизнью.

Отвод тепла колибри долгое время оставался загадкой. Но в 2016 году исследователи при помощи высокочувствительных инфракрасных видеокамер смогли зафиксировать, как именно птицы охлаждаются в полете. Оказалось, что тепло отводится через несколько особых зон: вокруг глаз, на ногах, под крыльями и на животе. Температура этих областей в среднем на 8 °C выше температуры окружающего воздуха, и в зависимости от скорости полета организм колибри «выбирает», через какие зоны и с какой интенсивностью избавляться от лишних градусов. То есть секрет колибри — в ювелирном распределении теплоотводных зон и их тончайшей регуляции.

Почему шмель летает вопреки законам физики? Чем и как это объясняется?

С детства любой, кто интересовался миром насекомых, слышал о том, что полёт шмеля противоречит всем законом физики, а точнее аэродинамики. Это утверждение столь плотно засело в наших умах, что сейчас уже с трудом можно разобраться, почему это происходит. Неужели может существовать животное, основная часть жизнедеятельности которого противоречит базовым законам физики? Данная статья предназначена для тех, кто хочет узнать, является этот факт правдой, или же это просто вымысел, в который с уверенностью верят люди.

Шмель не может летать по законам аэродинамики?

Для начала углубимся в теорию и посмотрим, действительно ли наука противоречит умению пчёл этого вида передвигаться в воздушном пространстве.

Особенности полёта насекомых учёные когда-то исследовали с особой тщательностью, ведь именно на их основе строились предположения о возможности полёта человека в воздухе с помощью какого-либо средства, что в итоге привело к созданию парапланов, а в дальнейшем и самолётов.

С помощью аэродинамического анализа проверялись полёты множества крылатых членистоногих. Однако, когда дело дошло до героя нашей статьи, учёные оказались в тупике. Все используемые ими ранее расчёты не подходили.

Именно поэтому появилось мнение , что такие шмели не способны оторваться от поверхности, так как площади поверхности его маленьких крыльев недостаточно для того, чтобы поднять с земли его объёмное тело. Шмели, тем временем, продолжали летать.

Как летает шмель?

Столкнувшись с данным феноменом, исследователи продолжили учение этого удивительного насекомого, так как сделанный ими вывод казался совершенно абсурдным.

Тогда начали проводиться различные эксперименты по наблюдению за существами, которые так легко перечеркнули все законы физики. С помощью современной техники их полёт был заснят на сверхточную камеру, а потом замедлен в десятки раз. Таким образом удалось чётко разглядеть весь процесс движения крыльев насекомого.

Однако наиболее важным открытием стал тот факт, что у крыльев бомбуса есть два типа движения:

1. Обычные возвратно-поступательные движения, которые характерны для всех насекомых;
2. Практически невидимая для глаза мелкая дрожь – колебания на высокой частоте.

Именно этот, второй тип движения и стал причиной, по которой это существо двигается над землёй.

Полёт шмеля с точки зрения физики

Что же особенного в этих мелких колебательных вибрациях? На этот вопрос дали ответ ученые-физики, а именно Чжэн Джейн Ван, которая и доказала, что полёт шмеля, также известного как бомбус, не является чем-то, выходящим за рамки научных знаний.

В соответствии с результатами исследований, высокочастотные вибрации, совершаемые крыльями данного представителя фауны во время движения, образуют завихрения в воздухе, обладающие переменной плотностью. Именно разная плотность воздуха и вызывает подъёмную силу, которая удерживает массивное тело шмеля.

!!–Таким образом, нестандартные движения крыльев существа затрудняли определение особенностей его передвижения в воздухе, однако выяснилось, что в отличие от самолета, когда воздух обтекает корпус, шмель своим телом опирается на завихрения, создаваемые крыльями. Тем самым он компенсирует их внешнюю слабость по отношению к своей массивности.

Правда или миф?

Итак, как же стоит воспринимать распространённое мнение о том, что этот представитель фауны не должен летать? Каков окончательный вердикт?

Итак, выражение о том, что передвижения этого существа в воздухе невозможны из-за того, что они идут в разрез с общепринятыми постулатами естественных наук, является ложным. Однако оно прочно засело в умах обывателей из-за давней ошибки учёных.

Почему произошла ошибка?

Как же могло получиться так, что ложная теория распространилась по всей планете и надолго засела в умах обывателей? Как учёные могли предположить, что такое обыкновенное существо может жить вопреки законам природы?

Как оказалось, дело было в недостаточно глубоком подходе к исследованию и правилам аэродинамики. Учёные совершили несколько ошибок во время своих исследований, которые и привели к зарождению мифа:

• Предположение о том, что в соответствии с физическими постулатами и не должны двигаться над поверхностью, было выдвинуто из-за недостатка знаний и осведомлённости в сфере;
• Более того, когда исследователи изучали особенности полёта других животных, они применяли ко всем ним единую формулу, которая базировалась на формуле передвижения в воздухе самолёта. И здесь оказалось целых два подводных камня, которые ускользнули от внимания людей науки;
• Во-первых, крылья самолёта являются статичными, в то время как у данного членистоногого они постоянно двигаются, причём в нескольких плоскостях;
• Во-вторых, борт этого летательного аппарата пропорционален его крыльям, а тело шмеля значительно больше.

Так, недостаточное количество информации привело к рождению ложной теории. Однако не стоит думать, что люди науки были просто глупы.

Подводя итог, стоит отметить, что далеко не всем распространённым фактам стоит верить, так как довольно часто они оказываются всего лишь обычными заблуждениями, вызванными ошибкой или недопониманием. В конце концов, несмотря на все предположения учёных, шмели летали даже тогда, когда исследователи считали, что они не могут этого делать. И продолжают это делать сейчас.

Видео: макросъемка взлета насекомых

В этом видео биолог Олег Мазаев покажет, как происходит взлет насекомых (в том числе и шмелей), съемка с высокой частотой кадров:

Учитывая мирный нрав рядовых шмелей, а также выдающуюся способность к опылению, их понемногу используют на полях и в теплицах. Первая компания, специализирующаяся на разведении шмелей возникла в Бельгии в 1987 году, а следом подобные предприятия начали открываться по всему миру.

Сегодня их число уже выросло до почти четырех десятков. Что тут сказать? Если ты – пчела, пусть и необычная, волей-неволей придется дружить с человечеством. Отнюдь не худший расклад для обоих сторон.