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.

 

Источник: znay.co

Старый миф о шмеле отображает наше невежество

“Леди и джентльмены, пожалуйста, займите свои места, и пристегните ремни безопасности. Мы взлетаем,” – приятным голосом объявляет стюардесса через систему внутренней связи. Двигатель самолёта начинает гудеть. Вы чувствуете лёгкий толчок, и самолёт начинает ехать по взлётно-посадочной полосе. Вы взволнованно хватаетесь за своё сиденье в нервном предвкушении небывалого ощущения, которое вы собираетесь испытать. Несясь по взлётной полосе, самолёт быстро набирает скорость. Когда самолёт отрывается от земли, ваш желудок тяжелеет, и вы испытываете неприятные ощущения. Земля становится всё меньше и меньше, и вы плывёте над ней в белом море облаков.

Вам знакомо всё это? Вероятно, всё вышесказанное напоминает вам о вашем первом пребывании на борту самолёта, разве что эти воспоминания омрачены вашей склонностью к морской болезни или «ужасной» боязнью полетов.
когда-нибудь задумывались, благодаря чему самолёт может летать? Физики и инженеры разбираются в этом очень хорошо. Они изучали сложную конструкцию аэродинамической поверхности и крыла. Округлая передняя кромка крыла и крутая задняя кромка, движимые тягой двигателя мощностью более 63300 фунтов, обеспечивают эффективную подъемную силу для самолёта.

А теперь представьте, что самолёт лишен какого-либо двигателя, с помощью которого он может заводиться и лететь. Как бы в таком случае самолёт мог бы летать? Самолёт,  у которого отсутствуют двигатели, сам по себе летать не может. Всё это подводит нас к теме нашей статьи, а именно к рассказу о шмеле. Теоретически, как говорят учёные, шмель не может летать и должен оставаться  на земле, так же как и гигантский авиалайнер без двигателя. Принимая во внимание тот факт, что основное уравнение, которое лежит в основе аэродинамики полёта, должно быть одинаковым как для летающих насекомых, так и для самолётов, просто невозможно объяснить, как шмелям удаётся летать. Крылья шмеля создают больше подъёмной силы, чем предсказывают учёные с помощью традиционного аэродинамического анализа. Возвратно-поступательное движение крыльев делает аэродинамику полёта насекомых невероятно неустойчивой и сложной для анализа.

Шмели – это мохнатые и шумные пчелы, размером от ½ до 1 дюйма. Крылья шмеля очень маленькие по отношению к телу. Самолёт, построенный с соблюдением таких же пропорций, как у шмеля, никогда бы не оторвался от земли. Но шмели не похожи на самолёты. Они скорее похожи на вертолёты с гибкими лопастями. Подвижная аэродинамическая поверхность генерирует больше подъемной силы, чем жесткое и зафиксированное крыло. Однако страус, который может создать подвижную аэродинамическую поверхность, так никогда и не оторвётся от земли. Таким образом, учёные находились в очень затруднительном положении относительно того, каким же образом шмели поднимаются в воздух.

Физики-теоретики использовали по отношению шмелей теории, применимые для полёта Боинга 747, и определили, что они не должны летать. Однако это вовсе не “доказывает” того, что шмели не могут летать; это просто означает, что физики используют неверное уравнение. Иварс Петерсон попытался защитить учёных, утверждая:

 “Проблема на самом деле заключается не в том, что учёные не правы, а в том, что существует значительное различие между предметом и математической моделью этого предмета”.

Это на вид неопределенное утверждение является следствием следующей веской причины: “Определенная математическая модель не может описать механизм полёта шмеля и совершенно не подходит для данной цели” (1997). В полёте шмеля и в самом деле нет ничего простого.

Вообще, полёт насекомых уже долгие годы является загадкой для учёных. Французский энтомолог Ентони Магнан писал в своей книге об этой проблеме ещё в 1934 году. В ней он ссылается на подсчеты, сделанные  инженером Андре Сейнт-Лаг. Его выводы основывались на следующем: “максимально возможная подъёмная сила, генерируемая крыльями летательного аппарата таких же маленьких размеров, как и крылья шмеля, и с таким же медленным движением, как движение пчелы во время полёта, была бы намного меньше массы самой пчелы” (Дикинсон, 2001).

Начиная с 1934 года, инженеры начали применять теорию аэродинамики для конструирования таких самолётов, как Боинг 747 и разведывательные истребители.
и самолёты имеют достаточно сложное строение, и, несмотря на это, их функционирование основано на стационарных принципах. Шмели нарушают этот принцип, потому что они вращают и машут своими крыльями со скоростью от 300 до 400 взмахов в секунду — это почти в десять раз больше, чем скорость генерирования сигналов нервной системой! Шмель достигает такой высокой скорости махания крыльями просто посредством сокращения и расслабления мышц своего брюшного отдела. Более того, изменения узоров, которые рисуются в воздухе крылом шмеля при взмахе, являются причиной возникновения совершенно отличающихся аэродинамических сил, которые приводят в замешательство всяческие математические теории. Крылья шмеля не качаются подобно двери на обычных петлях. Наоборот, верхняя часть каждого крыла описывает тонкий овал под большим углом. Также, крылья “переворачиваются” во время каждого взмаха: верхняя часть крыла направлена вверх во время взмаха вниз, и поворачивается вниз во время движения вверх.

Специалист, изучающий механику животных, Чарли Еллингтон из Кембриджского Университета в Англии, казалось, разгадал  тайну полёта насекомых. Он обнаружил, что вихревой поток, перемещающийся вдоль передней кромки крыла насекомого, производил дополнительный подъём. Исследователи Майкл Дикинсон и Джеймс Беч, из Калифорнийского университета в Беркли, получили противоположные данные.
научном журнале Nature они поделились результатами своих исследований относительно дополнительного аэродинамического подъёмной силы, которая образуется у шмелей. Они построили весьма масштабную модель мухи дрозофилы, и наблюдали за её полётом в резервуаре, заполненном минеральным маслом. С помощью крошечной модели дрозофилы они воспроизвели полёт этой мухи в воздухе — более редкой среде. Профессор Дикинсон утверждает: “Основываясь на проведённых экспериментах, мы сделали вывод, что предположение Еллингтона не может объяснить явление присоединения вихря, которое происходит во время взмаха крыла” (Макфи, 2001).

Тем не менее, сделанные Еллингтоном выводы подтолкнули учёных к поиску уравнения для “нестационарного функционирования”,  которое могло бы объяснить механизм ранее обсуждаемых взмахов крыльев. Распределение скоростей и давлений внутри жидкости происходит согласно известных уравнений Навье-Стокса, которые были сформулированы в начале девятнадцатого столетия. Данные, полученные Еллингтоном, показали, что полёт шмеля нельзя объяснить только лишь с помощью уравнений Навье-Стокса. Движения крыльев шмеля слишком сложны, чтобы можно было сформулировать уравнение, которое бы точно описывало аэродинамику полёта шмеля.

Пытаясь разгадать тайны полёта насекомых, учёные сконструировали модели крыльев шмеля в увеличенном масштабе.
именение этих моделей дало плодотворные результаты, соединив при этом две основные силы в жидкости — силу давления, производимую инерцией жидкости, поперечную силу, вызванную вязкостью жидкости. Профессор Дикинсон сообщил о новых данных, которые он получил в 2001 году. Эти данные основывались на теории Еллингтона, которые ранее Дикинсон пытался опровергнуть. В своем исследовании, опубликованном в Scientific American (“Объяснение загадки полета насекомых”), Дикинсон утверждает, что в полёте шмеля участвуют три основных механизма: замедленный срыв воздушного потока, захват спутной струи и вращательное круговое движение.

Замедленный срыв воздушного потока происходит тогда, когда крыло самолёта рассекает воздух под слишком крутым углом. Вихри, образованные самолётами, обычно оставляют позади сильную турбулентность в спутной струе винта самолёта. Однако чтобы оставаться в полёте, насекомым просто необходимы эти вихри. Вихрь – это вращающийся поток вещества, похожий на стекающую воду в умывальнике. Когда движение крыла происходит под небольшим углом, воздух разбивается на передней части крыла и плавно переходит в два потока, которые протекают вдоль верхней и нижней поверхностей крыла. Верхний поток движется быстрее, в результате чего давление над крылом более низкое. Именно это и тянет крыло вверх, производя подъемную силу. Первый этап замедления изначально увеличивает подъемную силу вследствие возникновения короткого потока, который называется вихрем передней кромки крыла. Этот вид вихря образовывается непосредственно  над и за передней кромкой крыла. Поток воздуха в вихре движется невероятно быстро, и  полученное таким образом низкое давление существенно увеличивает подъемную силу.

Данные Дикинсона, похоже, согласуются с экспериментальными данными, которые были получены физиком Джейн Венг из университета Корнелла. Он писал:

«Старый миф о шмеле отображает наше недостаточное понимание динамики неустойчивой вязкой среды. В отличие от созданных самолётов с неподвижным крылом, с устойчивой динамикой, почти невязкой (лишенной вязкости) жидкости, насекомые летают в море вихрей. Кроме того, эти вихри окружены маленькими вихрями и воздушными потоками, которые создаются в результате взмахов крыльями» (цитата из работы Сегелкена 2000, слова в скобках присутствуют и в оригинальной статье).

Кроме замедленного срыва воздушного потока Дикинсон обнаружил, что крылья шмеля создают временные мощные силы, которые появляются в начале и в конце каждого взмаха, и эти силы нельзя было объяснить с помощью торможения. Эти силы достигают максимума во время обратного взмаха, когда движение крыла замедляется, и крыло шмеля начинает быстро вращается. Это означает, что вращение может  играть важную роль в механизме полёта шмеля. Дикинсон продемонстрировал идею вращательного механизма движения с помощью теннисного мячика. Теннисный мячик, который ударили обратным вращательным движением, тянет воздух быстрее на своей верхней поверхности, что заставляет мячик подниматься, тогда как верхнее вращение тянет воздух быстрее снизу, что заставляет мячик опускаться. Дикинсон сделал вывод, что взмахи крыльев шмеля создают значительную подъемную силу с помощью вращательного движения.

И, наконец, Дикинсон обнаружил, что улавливание спутной струи, т.е. столкновение крыла с вихревой спутной струёй, оставленной предыдущим ударом крыла, также участвует в полёте насекомых. Каждый взмах крыла оставляет за собой множество вихрей. Когда крыло шмеля изменяет направление, оно возвращается через этот перемешивающийся воздух с вихрями. В спутной струе содержится энергия, которая была отдана воздуху насекомыми, так что захват спутной струи является для насекомых способом восстановления энергии. Таким образом, захват спутного потока помогает шмелю повторно использовать энергию.

Учёные до сих пор не знают всех тайн и сложностей, связанных с полётом шмеля и других насекомых. Но они очень надеются, что смогут больше изучить сложные крылья шмеля для применения полученных знаний в создании новых самолётов. Инженеры могут создавать большие самолёты, лишь воспроизводя те образцы, которые были созданы Великим Архитектором — Богом, устроившим всё (Евреям 3:4). Бог вложил так много явного и точного в проектирование крошечного крыла шмеля — и это лишь маленькая часть удивительной Вселенной, которую Он создал.

Ссылки и примечания

1. Дикинсон, Майкл (2001), “Объяснение загадки полета насекомых”, [On-line], URL: http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000EE5B1-DCA8-1C6F-84A9809EC588EF21.
2. Мэкфи, Кона (2001) “Жужжание шмелей”, [On-line], URL: http://pass.maths.org.uk/issue17/news/bumble.
3. Петерсон, Иварс (1997), “Полёт шмеля”, [On-line], URL: http://www.maa.org/mathland/mathland_3_31.html.
4. Сегелкен, Роджер (2000), “Шмели, наконец, дали разрешение на взлёт”, [On-line], URL: http://www.news.cornell.edu/releases/March00/APS_Wang.hrs.html.

Источник-www.apologeticspress.org

Источник: www.origins.org.ua

Шмель летать не должен? Родилось такое утверждение в начале XX века, когда бурно развивалось самолетостроение. Ученые того времени применяли к насекомому условия полетов по законам аэродинамики (вычисления силы, предназначенной для подъема в воздух тяжеловесных лайнеров).

Почему выбор пал на мохнатое насекомое? У шмеля относительно грузной массы тела маленькие по размеру крылышки. Это и привлекло внимание ученых.

Математические исчисления подходили для пчел, мух, бабочек, а вот к шмелям это применение по законам физики оказалось невозможным. Загадочное насекомое опровергало все математические выводы ученых. Что они сделали? Попытались вписать шмелиный полет к формулам, исчисляющим подъемную силу авиалайнера, забыв о том, что самолет не умеет махать крыльями.

В итоге, получив парадоксальный вывод о невозможности полета земляной пчелы, ученые заявили, что «шмель летать не может, но летает, нарушая законы физики». Но мохнатое насекомое физику не изучало и на лекциях не сидело. Ежедневно шмелики, радостно гудя крыльями, показывали, насколько наука бессильна.

Почему шмель летает?

Наука развивалась. Полет насекомого, то, с какой скоростью и как именно оно летает, удалось досконально снять на камеру. Взмахи крыльев просматривали в замедленном темпе, изучали траекторию движения. Какие выводы получили?

При интенсивной работе крылышек, их края образуют воздушные завихрения. Завихи убираются, как только крыло перестает взмахивать.
Эти завихрения воздуха обладают различной плотностью воздушного потока.

Разница в давлении воздуха создает силу подъемную, которая и поднимает бомбуса в воздух.

Та же бабочка или комар не могут сбрасывать воздушные завихрения, их полет заложен на планировании в потоке воздушных масс. Шмель летает вопреки законам аэроанализа, ведь его работающие крылышки рождают большую аэродинамическую силу. А возвратно-поступательные взмахи крыльев делали исследования передвижения насекомого слишком сложными и непредсказуемыми для аналитики.

Аэродинамическая поверхность с подвижной амплитудой генерирует гораздо большую подъемную силу, чем жестко фиксированное крыло. И крылышки шмеля создают одновременно не только возвратно-поступательные, но и ритмически-колебательные движения (за секунду крыло бомбуса совершает 300-400 таких взмахов).

Доказательную базу привела в середине XX века женщина-физик из Корнельского университета Чжэн Джейн Ван (Jane Wang). Она потратила много часов, моделируя за сверхмощным компьютером схему движения вихревых потоков, создаваемых шмелиными крыльями, и сделала окончательный вывод: «Шмель не нарушает аэродинамические законы. Его полет зависит от крыльевых завихрений. А при полете самолета воздух обтекает его».

Чжэн отметила, что миф о полете земляной пчелы – это следствие неграмотного понимания инженерами-авиаконструкторами нестационарной газово-вязкой динамики.

Лайнер, выстроенный со строгим соблюдением шмелиных пропорций, никогда бы не взлетел. Принципы работы крыльев земляной пчелы невозможно применить для авиастроения. Но в будущем, если появится модель вертолетов с гибкими, эластичными лопастями, полет шмеля пригодится авиаконструкторам!

источник http://masterok.livejournal.com/3251840.html

Источник: kykyryzo.ru

Рождение этой легенды относится к началу 20 века, когда один ученый рассчитал подъёмную силу крыльев шмеля. Но почему был выбран именно шмель? Дело в том, что шмель имеет малые крылья относительно массы и размеров собственного тела. Именно в этом и заключается особый интерес, а может ли шмель летать?
Шмель относится к перепончатокрылым насекомым, во многих отношениях является близким родственником медоносных пчел. В природе насчитывается примерно 290 видов шмелей. Это одно из самых холодостойких насекомых.
Шмель может разогревать своё тело до 40 градусов за счет постоянного и быстрого сокращения грудных мышц. При этом его температура может превышать температуру окружающего воздуха на 20-30 градусов. Эта особенность позволяет шмелю вылетать для сбора нектара раньше конкурентов, когда еще не прогрелся воздух.
Еще в прошлом веке появился парадокс, в котором доказывалось с точки зрения биологии и физики, что шмель не способен летать. В расчетах математических ошибок не было. Тем более, что математика неплохо описывала полеты пчел, бабочек и других насекомых.
Главная ошибка расчетов объясняется тем, что проведены они были в самом начале развития науки аэродинамики. Учёный применил к полету шмеля формулы для вычисления подъёмной силы самолетов, в итоге чего получил парадоксальный результат и сделал вывод, что шмель не способен летать, но летает, нарушая законы физики.
Еще одна ошибка в том, что ученый проделал все эти вычисления, так как не мог понять, что самолет, в отличие от шмеля, крылышками не машет. У шмеля механика полёта совершенно другая, и к самолетам она не подходит.
Почему шмель летает вопреки расчетам — стало аргументом в пользу бессилия науки. Но наука и техника развивались. Полет шмеля и движения его крыльев удалось заснять на камеру, потом просмотреть в замедленном режиме, изучить траекторию движения крыльев.
Оказалось, что при очень большой частоте движений крыльев у их краев образуются завихрения воздуха, которые убираются при завершении взмаха крыла. В завихрениях имеется разность давлений воздуха, которая и создает подъемную силу. На этом же принципе основан полет многих мух. Бабочки не умеют сбрасывать завихрения, но они умеют, в отличие от шмеля, планировать.
За один час полета шмель пролетает расстояние, превышающее его длину примерно в 10000 раз. Это означает, что человек со средним ростом в 180 сантиметров должен был бы пробежать за час 180 километров.
Самый крупный из шмелей живет в Центральной Америке. У взрослой самки длина тела может достигать до 3,2 сантиметров, а размах ее крыльев может быть и около 5 сантиметров.
Один из самых маленький шмелей — изменчивый шмель, живущий в Центральной Европе. Длина тела у взрослой самки всего лишь от 1,6 до 1,8 см, а размах крыльев изменчивого шмеля не превышает 3 сантиметров.
Узнать, почему шмель летает, удалось относительно недавно. Принципы его полета нельзя использовать для разработки самолетов. Но, возможно, их можно использовать для проектирования вертолетов с гибкими лопастями. Будущее покажет.

Источник: vallentinn.livejournal.com