Схлопывающий полёт стрекозы

Стрекозы, особенно крупные, по праву считаются асами лётного мастерства среди насекомых. Но принципы полёта стрекоз до сих пор остаются загадкой для науки. Ясно, что выдающиеся лётные качества стрекоз каким-то образом связаны с характерной особенностью их полётного аппарата: с наличием двух пар крыльев — практически одинаково развитых и независимо управляемых.

Имея две пары крыльев, стрекозы, как мы полагаем, держатся в воздухе тем же способом, что и многие двукрылые насекомые — создавая вертикальную вибрационную тягу [1]. Напомним, что эта тяга образуется, если махи крыльями вниз совершаются несколько быстрее, чем махи вверх. При этом усреднённая сила сопротивления воздуха, имеющего ненулевую динамическую вязкость, направлена вверх. Элементарные расчёты показывают: для того, чтобы держаться в воздухе пчеле, махи её крылышек вниз должны совершаться всего на 15% быстрее, чем махи вверх [2]. Но, спрашивается: ради каких особых преимуществ, по сравнению с двукрылыми насекомыми, у стрекоз настолько усложнён полётный аппарат, и, соответственно, усложнено управление им? На наш взгляд, эти усложнения вполне оправданы, поскольку полётный аппарат стрекоз обеспечивает поразительный — как по замыслу, так и по эффективности — способ передвижения в воздухе.

Пониманию принципа работы движителя стрекозы препятствует предрассудок о том, что если уж стрекоза имеет переднюю и заднюю пары крыльев, то и махать ими она должна соответственно: передними несколько спереди, а задними несколько сзади. Но обратите внимание: между сочленениями передних и задних крыльев с корпусом расстояние гораздо меньше, чем ширина самих крыльев, и поэтому, даже при больших разведениях передних и задних крыльев друг от друга, они непременно должны “чиркать” друг по другу на встречных махах. Такая компоновка крыльев выглядит более чем странной, если не знать секрета полёта стрекозы. Секрет в том, что стрекоза в полёте отнюдь не разводит передние и задние крылья друг от друга, а, наоборот, она — если смотреть на неё сверху или снизу — максимально совмещает контуры передних и задних крыльев, которые для этого почти идеально согласованы. Таким образом, говоря о положении крыльев стрекозы в полёте, правильнее различать крылья не передние и задние, а нижние и верхние. Один цикл работы левой и правой пар крыльев при полёте вперёд заключается в том, что нижние и верхние крылья расходятся и, сходясь, хлопают друг по другу.

Чтобы понять, каким образом такое хлопанье порождает движущую силу, следует иметь в виду, что плоскости сходящихся верхних и нижних крыльев не являются параллельными. Крылья, имея великолепно подобранную гибкость в направлениях от передних кромок к задним, из-за сопротивления воздуха пассивно изгибаются так, что их задние кромки отстают в своём движении от передних. В результате верхнее и нижнее крылья создают нечто вроде схлопывающегося клина, из которого выбрасывается назад плоская “кумулятивная” струя воздуха. Отбрасывая, при каждом схлопывании, воздух назад, правая и левая пары крыльев создают реактивные силы, которые толкают стрекозу вперёд. Теперь становится ясно, что “странная” компоновка крыльев стрекозы является, в действительности, оптимальной для обеспечения схлопывающего полёта: если сочленения с корпусом у схлопывающихся крыльев были бы разнесены не по горизонтали, а по вертикали, то формирование схлопывающегося клина было бы затруднено.

Проиллюстрируем эффективность схлопывающего полёта — сделаем необходимые оценки для примера крупной стрекозы дозорщика. Выражение для реактивной силы в данном случае имеет вид Fреакт=mfv, где m — масса воздуха, отбрасываемая при одном ударе сходящихся крыльев, f — частота ударов крыльями, v — скорость, с которой отбрасывается воздух. Для нахождения скорости полёта V, следует приравнять реактивную силу и силу лобового сопротивления, которая есть Fлоб=(1/2)Cr SV2, где C — безразмерный коэффициент лобового сопротивления [3,4], r — плотность воздуха, S — эффективная фронтальная площадь стрекозы, главный вклад в которую обусловлен не головой, а пассивно выворачиваемыми крыльями. Приравнивая Fреакт и Fлоб, получаем для скорости полёта выражение: