В начало...

Как насекомые создают силы, необходимые для полета. А. К. БРОДСКИЙ. Продолжение

КАК ОБРАЗУЮТСЯ ВИХРЕВЫЕ КОЛЬЦА

Рис. 3. Вихри вокруг машущего крыла [4]: а - вихревая система равномерно движущегося крыла состоит из циркуляционного потока вокруг самого крыла, разгонного вихря и пары концевых вихрей, которые все вместе образуют вихревое кольцо; б - колеблющееся крыло оставляет за собой цепочку сцепленных наклоненных вихревых колец; ее пересечение продольной вертикальной плоскостью дает так называемую вихревую дорожку. Остальные объяснения в тексте

Рассмотрим работу машущего крыла с позиции принципов, заложенных в обоих подходах. Как только крыло начинает двигаться, у его задней кромки образуется разгонный вихрь. Этот вихрь через концевые вихри смыкается с циркуляционным потоком вокруг крыла, образуя кольцо (рис. 3, а). При внезапной остановке движущегося крыла слой приторможенного воздуха, наиболее близкий к поверхности профиля (пограничный слой), верхней дужки профиля, движущийся более быстро, нежели на нижней дужке, обтекая заднюю кромку, сворачивается в вихрь, который имеет противоположное по сравнению с разгонным направление вращения и такую же по абсолютной величине интенсивность; он называется тормозным вихрем. Таким образом, движущееся крыло несет вихревое кольцо, которое освобождается при его остановке.
Если теперь представить, что крыло совершает колебания в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку, то поочередно отделяющиеся от крыла разгонные и тормозные вихри образуют цепочку сцепленных друг с другом вихревых колец (рис. 3, б ). Кольцо, образовавшееся при махе вниз, будет обладать импульсом, направленным вниз и назад, и в то же время крыло из-за перепада давления на его верхней и нижней поверхностях разовьет подъемную силу и тягу. Аналогично при махе вверх крыло разовьет тягу и отрицательную подъемную силу, а кольцо, образовавшееся в это время, будет обладать импульсом, направленным вверх и назад. Следовательно, в возмущениях, которые производят в воздухе машущие крылья, или, иначе, в аэродинамическом следе, который они оставляют, как бы в зашифрованной форме содержится информация о характере взаимодействия крыльев с воздушными потоками. Структура следа - своего рода ключ к пониманию природы сил, создаваемых машущими крыльями.

Рис. 4. Форма вихревого следа за летящим насекомым [2]: а - вид сбоку; б - вид сверху. Стрелками показано направление потоков воздуха

ЭВОЛЮЦИЯ АЭРОДИНАМИКИ ПОЛЕТА НАСЕКОМЫХ
Работа крыла реального насекомого отличается от рассмотренной схемы тем, что только вершина крыла совершает колебания относительно неподвижного основания. Кроме того, само крыло в верхней и нижней точках взмаха испытывает вращательные колебания относительно своей длинной оси. Тем не менее, когда удалось наконец визуализировать след (то есть сделать его видимым) летящего насекомого [2], то оказалось, что его форма почти идентична форме следа, который образуется за крылом, совершающим колебания в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку (рис. 3, б ). Впервые трехмерную картину аэродинамического следа за летящим насекомым удалось получить для насекомого средних размеров с относительно невысокой частотой крыловых взмахов (30 Гц) - для бабочки-толстоголовки (рис. 4). Какова же она? Прежде всего след представляет собой систему попеременно наклоненных к оси вихревых колец. Через отверстия колец проходит толстая волнообразно изгибающаяся струя воздуха. Если вертикальной продольной плоскостью рассечь такой след, то получим его плоское изображение (см. рис. 3, б ), так называемую вихревую дорожку - вокруг центральной струи в шахматном порядке располагаются вихри, вращающиеся навстречу друг другу. Изменение параметров взмаха крыльев, таких как амплитуда колебания, частота, наклон плоскости взмаха к продольной оси насекомого и направлению полета, сопровождается закономерным изменением формы аэродинамического следа [4].

Рис. 5. Предполагаемое изменение формы вихревого следа в процессе эволюции крылатых насекомых [4]: а-г - объяснения в тексте. R - аэродинамическая результирующая сила, возникающая как реакция на моменты сил вихревых колец, отбрасываемых при махе вниз (d ) и вверх (u). Толстая стрелка показывает направление центральной струи воздуха

Если судить по сравнительной простоте образования и распространенности среди многих примитивных насекомых, то наиболее примитивной и, возможно, исходной формой следа можно считать ту, которая свойственна крылу, колеблющемуся в плоскости, перпендикулярной к набегающему потоку (см. рис. 3, б ). В этом случае за телом образуется цепочка из сцепленных вихревых колец, равнодействующая импульсов которых определяет создание аэродинамической силы, направленной строго вперед (рис. 5, а). Последнее обстоятельство вынуждает многих примитивных насекомых летать с большим углом возвышения, как бы приподнимая тело над горизонталью и тем самым направляя вихревую дорожку под углом к горизонту для того, чтобы создать подъемную силу. Образование сил в данном случае, как при махе вниз, так и при махе вверх, следует трактовать с позиции квазистационарного действия крыла [4].
Следующий шаг в эволюции полета насекомых состоял в том, что при махе вниз, осуществляемом с большими значениями угла атаки, чем при махе вверх, крылья стали продуцировать вихревые кольца большей интенсивности и, следовательно, меньшего размера. Кольцо, сошедшее с крыльев в конце маха вниз, имеет меньший диаметр, вследствие чего ось следа отклоняется вниз, а равнодействующая импульсов колец направлена под углом вверх (рис. 5, б ). Образующаяся за крыльями вихревая дорожка получила название косой, а природа сил, создаваемых при взмахах крыльев, в принципе такая же, что и в предыдущем случае.
У некоторых насекомых в полете за крыльями образуется вихревой след, форма которого аналогична той, которая характерна для наиболее примитивных насекомых (рис. 5, в). Есть, однако, существенное отличие. Исследования показали, что кольцо малого диаметра, образовавшееся при махе вниз, во время подъема крыльев расширяется. Как и в предыдущем случае (рис. 5, б ), в данном случае мах вниз активнее, чем вверх, но из-за того, что кольцо малого диаметра при подъеме крыльев расширяется, след принимает вид прямой вихревой дорожки. Расширяющееся кольцо придает ускорение струе воздуха, направленной косо вниз, что, по предположению, компенсирует отрицательную подъемную силу, создаваемую при махе вверх. В итоге распределение сил в цикле взмаха выглядит следующим образом: подъемная сила создается при махе вниз, а тяга - в течение всего цикла взмаха. Следовательно, генерацию сил при махе вверх можно объяснить с позиций нестационарного действия крыла. Более того, при развороте крыльев в верхней точке взмаха они отталкивают ближайшее к телу кольцо, а вместе с ним и всю цепочку назад, в результате чего насекомое получает небольшой толчок вперед. Следовательно, образование сил в верхней точке взмаха можно объяснить действием механизма, близкого к реактивному.
Роль последнего возрастает у ширококрылых бабочек, которые в полете отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере увеличения скорости полета цепочка вихревых колец сначала размыкается в верхней точке взмаха (рис. 5, г), 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, объяснение природы сил, создаваемых машущими крыльями, нельзя свести исключительно к квазистационарному действию крыла. У многих насекомых при взмахе вверх, когда ранее образовавшееся кольцо расширяется и ускоряет струю воздуха назад, возникает кратковременный импульс силы, происхождение которого следует отнести на счет нестационарного действия крыла. Значение механизма, аналогичного реактивному, когда насекомое отбрасывает назад вихревые кольца, резко усиливается по мере того, как непрерывная цепочка колец разрывается. Существенную роль в этом играют особые движения крыльев, в частности их хлопок в верхней или нижней точке взмаха. Немецкий исследователь В. Нахтигаль рассмотрел несколько особых движений крыльев, которые могут иметь значение с точки зрения создания аэродинамических сил способом, отличным от квазистационарного. Эти движения крыльев порождают различные, еще недостаточно изученные нестационарные эффекты, роль которых в полете, несомненно, возрастает по мере того, как наблюдается рост частоты взмаха крыльев.

ЛИТЕРАТУРА
1. Шмидт-Ниельсон К. Размеры животных: Почему они так важны? М.: Мир, 1987. 260 с.
2. Бродский А.К. Механика полета насекомых и эволюция их крылового аппарата. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 207 с.
3. Захваткин Ю.А. Курс общей энтомологии. М.: Агропромиздат, 1986. 320 с.
4. Brodsky A.K. The Evolution of Insect Flight. Oxford: Oxford Univ. Press, 1994. 229 p.
5. Бродский А.К., Львовский А.Л. Пауки, насекомые. Л.: Лениздат, 1990. 140 с.

* * *
Андрей Константинович Бродский, профессор кафедры общей экологии Санкт-Петербургского государственного университета. Автор научных монографий, в том числе "Эволюции полета насекомых" (1994), учебника "Краткий курс общей экологии" (1992), книги "Тропики, острова, биоценозы" (1983).
? Бродский А.К., 1998