Полет шмеля: зависание нестабильно, быстрый полет — устойчив
Новое исследование, опубликованное в Journal of Theoretical Biology, показывает, что полет шмеля гораздо менее стабилен при зависании и медленном движении, чем при быстром полете.
Авторы работы, На Сюй и Мао Сунь из Пекинского университета аэронавтики и астронавтики, использовали математическую модель для анализа полета шмеля на разных скоростях. Результаты показали:
- Нестабильность при зависании и медленном полете.
- Нейтральную или слабую устойчивость на средних и высоких скоростях.
Причина нестабильности на малых скоростях — боковой поток воздуха, создаваемый движением крыльев («положительный момент крена»). При увеличении скорости крылья изгибаются назад, что снижает влияние этого бокового потока и повышает устойчивость полета.
Значение исследования:
- Биомеханика: «Динамическая устойчивость полета крайне важна для изучения биомеханики полета насекомых. Это основа для исследования управления полетом», — пояснил Мао Сунь.
- Робототехника: Результаты могут быть полезны при разработке микролетальных аппаратов, подобных насекомым (роботизированных насекомых).
- Опровержение мифа: Работа опровергает устойчивое заблуждение, что «по законам физики шмель летать не может», восходящее к высказыванию французского энтомолога Огюста Магнана (1934 г.).
Методология: Исследователи применили подход, аналогичный используемому в квантовой механике, — анализ по усредненным параметрам (размер и форма крыла, масса тела, силы). Это позволило свести задачу об устойчивости машущего полета к задаче об устойчивости жесткого самолета. Вычислительное моделирование позволило проанализировать присущую устойчивость движения без активного контроля, что почти невозможно в экспериментах с живыми насекомыми.
Модель шмеля имела крылья в виде плоских пластин со скругленными краями (толщиной 3% от длины крыла), приблизительно повторяющие форму и размер реальных.
Контекст и дальнейшие планы: В отличие от предыдущих исследований динамики зависания (у dronefly, плодовой мушки, шмеля), в этой работе учтено поступательное движение. Обнаружены значительные различия в устойчивости между шмелями и droneflies, что, вероятно, связано с размером и формой крыльев. Авторы планируют дальнейшие сравнительные исследования устойчивости полета этих насекомых на разных скоростях.