Выявлены причины необычного полёта комаров

Долгое время учёных ставил в тупик необычный механизм полёта комаров. Амплитуда взмаха их крыльев составляет около 40 градусов, что меньше половины аналогичного показателя у медоносной пчелы, что заставляло задуматься, как они вообще летают.

Исследование под руководством учёных из Королевского ветеринарного колледжа (RVC) выявило две дополнительные аэродинамические особенности, которые помогают объяснить эти необычные характеристики.

Комары выделяются среди других насекомых своим необычным полётом. У них аномально длинные и узкие крылья, которые они совершают 800 взмахов в секунду — значительно быстрее, чем у любого другого насекомого сопоставимого размера. Чтобы компенсировать эти быстрые колебания, амплитуда взмаха (угол, на который крыло отклоняется) у них меньше половины, чем у любого другого измеренного на сегодняшний день насекомого. Эта необычная схема взмахов — коротких и быстрых — означает, что комары не могут полагаться на обычные аэродинамические механизмы, которые используют большинство насекомых (и вертолётов).

Это необычное поведение в полёте побудило учёных из Королевского ветеринарного колледжа, Оксфордского университета и Университета Тиба провести исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature. Его результаты показывают, что животным, таким как комары, которые действуют на пределе возможностей естественного полёта, ещё есть чему нас научить.

Учёные построили миниатюрную съёмочную студию, используя точно выровненные камеры и мощные источники света, чтобы зафиксировать тонкие трёхмерные движения крыльев. Это позволило исследователям наблюдать малейшие движения, которые затем были загружены в модель вычислительной гидродинамики, способную имитировать воздушный поток, создаваемый взмахами крыльев.

Команда обнаружила, что помимо создания подъёмной силы с помощью вихрей на передней кромке (механизм, используемый большинством насекомых, при котором вдоль передней кромки крыла создаются «пузыри» низкого давления), комары используют две дополнительные аэродинамические особенности: так называемые вихри на задней кромке и механизм подъёмной силы, генерируемый вращением крыла.

В то время как другие насекомые создают большую часть подъёмной силы во время поступательных фаз взмаха вниз и вверх, уникальная форма и движение крыльев комаров означает, что их вес поддерживается в основном в течение коротких периодов вращения крыла в конце каждого полувзмаха. Это, в свою очередь, порождает вихри на задней кромке крыла, вызванные новой формой захвата следа (явление, при котором насекомое получает дополнительную подъёмную силу, улавливая энергию, потерянную в предыдущем взмахе).

Доктор Ричард Бомфри, преподаватель биомеханики в RVC и ведущий автор исследования, сказал: «Обычная схема коротких, быстрых взмахов означает, что комары не могут полагаться на обычные аэродинамические механизмы, которые используют большинство насекомых и вертолётов. Вместо этого мы предположили, что они должны использовать хитрые уловки, когда крылья меняют направление в конце каждого полувзмаха».

Доктор Саймон Уокер, научный сотрудник Оксфордского университета, который помогал разрабатывать сложную установку, сказал: «Съёмка комаров в свободном полёте представляла огромную техническую проблему из-за их малого размера, чрезвычайно высокой частоты взмахов крыльев, а также наличия больших усиков и ног, которые могут загораживать обзор крыльев».

Доктор Тосиюки Наката из Университета Тиба, который проводил компьютерное моделирование, сказал: «У большинства насекомых аэродинамические силы увеличиваются по мере удаления от основания к кончику крыла, потому что кончик крыла движется быстрее, чем основание. Однако, используя аэродинамику, основанную на быстром изменении угла атаки крыла, силу можно создавать по всей его длине. Таким образом, длинное узкое крыло может увеличить подъёмную силу и одновременно снизить энергозатраты на полёт».