Літати можуть багато живих істот. У деяких наявність цього вміння помітно на вигляд. Іноді здається, що завдяки витонченим, стрімким, обтічним формам вони буквально створені ширяти в небі.
Є, однак, і такі літуни, у яких цей талант не вгадується чи викликає серйозні сумніви. Але саме вони є справжнім подарунком для вчених. Вивчення аеродинаміки переміщення їхніх тіл у повітряному просторі призвело до появи чималої кількості найцікавіших технологій.
Кальмари
Здібністю до польоту мають кілька видів цих головоногих. Вони долають значні відстані, рухаючись на пристойній швидкості. Неоновий літаючий кальмар (Ommastrephes bartramii), наприклад, розганяється до 11.2 м/с (40 км/год). Морські жителі перебувають у повітрі близько трьох секунд, але здатні пролетіти цей час до тридцяти метрів.
Схема польоту кальмара. Малюнок із статті K. Muramatsu et al., 2013.
Виліт з води здійснюється за допомогою вистрілювання потужного водного струменя з сифона – багатофункціонального трубчастого органу, який набирає вологу в зябра або виштовхує її, створюючи прискорення. Кальмар може змінювати напрям вихідного потоку, що дозволяє «маневрувати» як під водою, і над нею.
Опинившись у повітрі, кальмар розправляє плавці та щупальця. Це дозволяє створити підйомну силу та планувати за дуже витонченою дугою.
Довгий час вважалося, що головоногі вистрибують із води, щоб урятуватися від хижаків, однак у 2013 році японські вчені опублікували дослідження, вони припускають, що цей прийом використовується переважно для економії сил. Швидкість руху в повітрі у кальмарів майже вчетверо більша, ніж у воді, і при цьому потребує менше енергії. Таким чином, політ є ефективним способом пересування, особливо під час тривалих міграцій.
Підглянувши описану механіку у головоногих, вчені створили роботів, здатних плавати під водою і вистрибувати з неї. Ці пристрої виявилися дуже економними щодо витрати енергії при зміні одного середовища на інше, що дозволило вирішити давню проблему, що стояла перед інженерами. Вважається, що подібні роботи можуть використовуватися для розвідки в зонах затоплення, куди нелегко дістатися звичайним плавзасобам.
Летючі риби
Ці морські жителі чудово літають. Що, погодьтеся, трохи дивно, адже це все-таки риби, що залишають місце існування, а не птиці. Вони є одними з рекордсменів за швидкістю переміщення під водою, розганяючись майже до 60 км/год. Саме цей імпульс дозволяє вистрибувати в повітря, де вони потім планують, розсунувши непропорційно великі плавці, схожі на крила.
У такому разі цей стиль польоту набагато ефективніший, ніж швидкі помахи кінцівками. Він дає змогу долати великі відстані, іноді до 400 метрів. У 2010 році вчені вивчили на симуляторі аеродинаміку польоту летких риб. З'ясувалося, що вони планують не гірше за яструби.
Результат досягається завдяки тому, що риби мають у своєму розпорядженні тулуби близько до води і паралельно їй. Це положення дозволяє досягти максимальної «аеродинамічної якості», тобто співвідношення підйомної сили до лобового опору. Тут має місце той самий ефект, що у літака, що заходить на посадку. Повітря, зриваючись із кінчиків плавників, утворює завихрення, що руйнуються, стикаючись із поверхнею води. Це зменшує опір та генерує тиск, що підтримує рибу в повітрі.
Цей феномен відомий як «граунд-ефект», але назва не повинна вводити в оману. Він виникає як над сушею, і над поверхнею води. Також леткі риби вміють надавати собі додаткового імпульсу. Опинившись надто близько до води, вони відштовхуються від неї хвостом.
Вчені вивчають аеродинаміку цього унікального стилю, оскільки отримані знання здатні допомогти у створенні нових і ефективніших, наприклад, екранопланів, які використовують той самий граунд-ефект. Ці літальні апарати проносяться у безпосередній близькості від поверхні води, що дозволяє знизити лобовий опір та витрату палива, а також збільшити швидкість.
Метелики
Всі ми любимо дивитися, як метелики пурхають над квітами в наших садах, але їхній політ на перший погляд не здається скільки-небудь осмисленим. Тим не менш, шведські вчені з'ясували не так давно, що інженерам є чому повчитися у природи і в цьому випадку. Метелики насправді літають дуже вміло – завдяки великим крилам, що згинаються.
Дослідники помістили комах у аеродинамічну трубу та вивчили їх рухи. З'ясувалося, що в той момент, коли вони піднімають крила, ті згинаються і складаються, створюючи між собою наповнену повітрям кишеню. Потім слідує бавовна, що видавлює газ назад і генерує струмінь, що підштовхує метелика вперед. Це дозволяє триматись у повітрі до наступного помаху.
Вперше політ цих істот був детально описаний понад п'ятдесят років тому. Однак секрет бавовни був розкритий лише недавно, і він по-справжньому надихає дослідників. Цей прийом допомагає метеликам миттєво злітати у разі небезпеки. Згідно з підрахунками вчених, гнучкі крила працюють на 28% ефективніше за негнучких. Тому вченими було запропоновано створити мініатюрні дрони, які використовують підглянуту у метеликів механіку польоту.
Дрони розміром з метелика дійсно вже існують, але жоден з них не генерує рушійний струмінь за допомогою бавовни крилами в одній із фаз амплітуди. Можливо, додавання цієї недостатньої деталі дозволить підвищити тривалість і дальність польоту подібних безпілотних літальних апаратів.
Комарі
Кожному з нас доводилося з неприхованою злістю дивитися слідом за комаром, який, насмоктавшись крові, ні в чому не бувало відлітає геть. Ці комахи справді славляться умінням кусати непомітно, не турбуючи свою жертву. Як їм це вдається?
Поївши, комарі не просто відштовхуються ногами вгору. Перш ніж злетіти, комахи «запускають» крила, здійснюючи ними понад п'ятсот помахів за секунду. В результаті відрив виходить непомітним для «потерпілого».
При цьому комарі виписують крилами “вісімки”, створюючи невеликі завихрення низького тиску, що зриваються з передніх кромок. Ці обурення генерують підйомну силу, як у летких риб та багатьох видів комах. Але кровососи додають до поширеного шаблону невелику особливість, яка робить політ ще ефективнішим.
В одній із фаз вони трохи змінюють нахил крил, вловлюючи завихрення від попереднього помаху. Це породжує друге покоління обурень, які цього разу «стікають» із заднього краю крил. Додатковий рух майже не вимагає застосування сил і, якщо вірити дослідникам, є головним фактором непомітності комариного зльоту.
Вчені також спробували з'ясувати, що допомагає комахам однаково успішно літати на порожній і повний шлунок. Дослідники з Нідерландів порівняли швидкість зльоту комарів, що ще не обідали і вже наїлися. Виявилося, що останні компенсують додаткову вагу шляхом збільшення амплітуди помахів крил. Крім того, вони мають у своєму розпорядженні тулуби більш вертикально.
Такі спостереження можуть здатися занадто дивними, але треба розуміти, що вони здійснюються з практичною метою. Саме в цьому випадку вчені хочуть створити малопомітні мініатюрні дрони. Підглянута у комарів техніка пілотування, як здається, цілком здатна дати їм можливість приземлятися і злітати, залишаючись непоміченими.
Кульбаби
Деякі рослини також не далекі від польоту. Хто з нас у дитинстві не здував пишні шапочки кульбаб? Виявляється, у їх насіння, що розлітається, дуже цікава аеродинаміка. Донедавна вона взагалі здавалася неможливою.
Так само, як комарі та леткі риби, вони генерують підйомну силу за допомогою завихрень. При цьому вчені завжди щиро вважали, що для утворення цих збурень потрібна взаємодія з повітрям якоїсь суттєвої поверхні, на кшталт того ж крила. Але насіння кульбаби спростувало цю виставу. Вони створюють вихори за допомогою пуху, який прикрашає верхню частину волосків.
Повітря закручується в цій своєрідній мережі, створюючи опір, який не дає насіння падати на землю. Усередині шапочки кульбаби від 90 до 110 волосків, і це є одним із найважливіших факторів успішності їхнього польоту.
Вчені, які проводили «льотні випробування» з насінням рослини, з'ясували, що надто сильне відхилення від усередненого шаблону робить політ нестабільним. У цьому цікавий ще один факт: схожий пушок є на ногах і крилах у багатьох комах. Це може означати, що та сама механіка використовується і ними.
Источник: zefirka.net
