Шмель не может летать с точки зрения аэродинамики шмель

Существует расхожее мнение, что с точки зрения аэродинамики шмель не может летать. Шмель не может летать согласно уравнениям аэродинамики, использующимся при расчёте подъёмной силы самолётов. Полет же насекомых происходит при совершенно других числах Рейнольдса (коэффициент подобия), чем полет самолета.

Физик Джейн Ванг (Jane Wang) из Корнелльского университета (США) доказала, что полет насекомых не нарушает физических законов, и наконец развеяла старый миф о том, что по законам аэродинамики шмели летать не могут.

Для этого потребовалось много часов моделирования на суперкомпьютере сложного движения воздуха вокруг быстро движущихся крыльев. Старый миф о шмеле — просто следствие плохого понимания авиаинженерами нестационарной вязкой газовой динамики, отметила Ванг. Жесткое неподвижное крыло самолета поток воздуха обтекает почти без завихрений, и его вязкость можно не учитывать. Насекомые же полностью зависят от сложных завихрений вокруг их крыльев, особенно когда они висят на одном мест

С детства любой, кто интересовался миром насекомых, слышал о том, что полёт шмеля противоречит всем законом физики, а точнее аэродинамики. Это утверждение столь плотно засело в наших умах, что сейчас уже с трудом можно разобраться, почему это происходит. Неужели может существовать животное, основная часть жизнедеятельности которого противоречит базовым законам физики? Данная статья предназначена для тех, кто хочет узнать, является этот факт правдой, или же это просто вымысел, в который с уверенностью верят люди.

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.

Видео: макросъемка взлета насекомых

В этом видео биолог Олег Мазаев покажет, как происходит взлет насекомых (в том числе и шмелей), съемка с высокой частотой кадров:

Почему полет шмеля не подчиняется законам физики

«Черный бархатный шмель, золотое оплечье,

Заунывно гудящий певучей струной.

Ты зачем залетаешь в жилье человечье,

И как будто тоскуешь со мной?»

Приходит упоительное лето, расцветают ароматные цветочки, и все вокруг наполняется пением птиц и жужжанием насекомых. Порхают бабочки, стрекозки, трудятся над цветочные клумбами неутомимые пчелы и шмели. Шмель – уникальное создание природы. Неповоротливый, толстенький трудяга неустанно опыляет цветочки и приглашает посетить шмелиный сказочный мир, полный тайн и загадок.

Знакомство со шмелем

Шмель (земляная пчела или Bombus) относится к перепончатокрылым из семейства пчелиных. Они обитают везде (даже в прохладной Гренландии, снежной Аляске и суровой Чукотке), но вот Австралию толстые мохнатые насекомые не любят – их завезли туда недавно. В зоологическом мире 250 видов земляных пчел.

Шмель большое насекомое, его тельце с густыми черными волосками, достигает длины в 3,5-4 сантиметра. Бомбусы – существа миролюбивые и доброжелательные. Они умеют жалить, но, в отличие от пчел, кусаются неповоротливые создания редко и гораздо слабее.

Хотя при кусании земляные пчелы не оставляют жало в теле, но их яд содержит серотонин, понижающий кровяное давление. При наличии у человека аллергии, возможна сильнейшая реакция организма вплоть до анафилактического шока.

Как живет шмель. Шмели могут быть одиночками и создавать семьи. Виды насекомых, обитающих в условиях севера (где короткое одномесячное лето), обитают в гордом одиночестве. А в благодатных, теплых районах земляные пчелы успевают за летний сезон создать семью (проживет шмелиная семья ровно одно лето).

В зонах тропика некоторые виды шмелей создают многолетние семьи с огромным количеством домочадцев (до 500 особей). Бомбусы подразделяются на три группы:

1. Королева, выводящая потомство.
2. Рабочие шмели, следящие за строительством гнезда и сбором нектара.
3. Трутни, оплодотворяющие самку. Трутень не умеет кусать – вместо жала у него половые железы.

У мохнатых насекомых существуют зимние подземные норы – там проживает матка. По весне шмели выстраивают гнезда. Шмелиные жилища похожи на пчелиные. Личинки шмелей (в отличие от иных представителей мира насекомых), вылупляются и обитают в одной капсуле. В остальных отсеках гнезда шмели оборудуют медовые склады.

Там же они хранят и перги (пчелиный «хлеб»), оно спасает мохнатых, черно-золотых созданий от периода непогоды. У шмелиной семьи есть иерархия и четкое распределение обязанностей. Кто-то строит гнездо, другие собирают пыльцу.

Матка за жизнь откладывает 300-400 яиц для вывода рабочих существ. Ее последний выводок состоит из новых маток, которые и остаются зимовать, чтобы по весне дать жизнь новому потомству. Старая матка умирает.

Гнездо шмеля (или бомбидарий) – овальные, неправильной формы ячейки, созданные из буроватого либо красного воска. Жилища шмели обустраивают в дуплах, между каменистыми зазорами, на земле рядом с моховыми растениями, ветками. Земляные пчелы могут занять птичьи гнезда, норы кротов или мышей.

Они не следят за состоянием гнездовья и не пользуются одной сотой дважды для выведения потомства. Новые соты строятся на старых, полуразрушенных, поэтому шмелиные гнезда выглядят неряшливо.

Шмели умеют вентилировать жилище. Они зависают у входа в гнездо и активно трепещут крылышками, прогоняя в жилье потоки свежего воздуха.

А в холода насекомые превращаются в обогреватели. Они дружно сокращают мышцы, находясь на одном месте, издавая знакомый гудящий звук. Совместное гудение обогревает воздух в гнезде и поднимает его до комфортного для насекомых режима в +30-35⁰ С.

Чем питаются. Любимая пища земляных пчел – нектар. Они собирают его с распустившихся бутонов. У мохнатых насекомых есть одна удивительная способность – при интенсивной работе грудных мышц, насекомые поднимает у себя температуру тела до +40 ⁰ С.

Благодаря такой возможности, шмели принимаются за работу над цветами ранним утром, когда воздух еще не прогрелся. Из-за этого мохнатых насекомых называют «теплокровными». Такая способность разрешает бомбусам обитать в северных районах. В отличие от обычных, земляные пчелы не создают запасов меда – он им нужен лишь для спасения от голода при ненастной погоде.

Когда появились шмели. Когда бомбус впервые увидел мир – неизвестно, хотя найденные окаменелые остатки насекомых датируются в 25-40 млн. лет. Окаменелый шмель – редчайшая находка, попасть в смолу крупному насекомому и утонуть в ней сложно. Такие находки обнаруживали в Азии.

Польза шмеля. Земляная пчела – ценнейший опылитель. Благодаря длинному хоботку, это насекомое опыляет такие растения, с которыми не справляются обычные пчелы. Человечеством создана отрасль, посвященная выведению шмелей – шмелеводство. Мохнатых насекомых искусственно разводят для опыления растительных культур с целью увеличения урожайности.

Это любопытно

Шмели-паразиты. В природе проживают дальние родственники земляных пчел: шмели-кукушки. Это паразитические насекомые, социальные клептопаразиты, разучившиеся собирать и хранить пыльцу. Они ее воруют у своих собратьев, не забывая подкинуть в шмелиные гнезда своих личинок.

Как летает шмель. Крупные создания летают со скоростью в 18-20 км/час. В полете 90% энергии насекомого преобразуется в тепло. Летая, мохнатое существо имеет температуру тельца на 20-30⁰ выше окружающего пространства. У насекомых природа предусмотрела механизм охлаждения. Когда земляные пчелы в полете перегреваются, из специальных желез они выпускают на себя каплю прохладной жидкости.

Бомбусы, как и остальные насекомые, не могут летать спиной вперед. Это умеет делать лишь колибри. Из-за маленького размера птичку часто принимают за толстенького шмелика, поэтому существовало мнение, что шмель умеет летать таким неординарным способом.

Рекордсмены. Самый крупный бомбус обитает в центральных районах Америки. Длина его тела достигает 5 сантиметров. А самое маленькое шмелиное создание облюбовало ареал проживания в Центральной Европе, длина насекомого всего полтора сантиметра.

Загадочный миф. У людей существует распространенное мнение, что земляная пчела летает вопреки признанным законам аэродинамики. Это миф или летающее насекомое действительно «рушит» основы физики и обладает уникальной способностью? Или это представитель иной, развитой цивилизации, живущей по другим понятиям?

Почему шмель летать не должен?

Родилась такая легенда 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 бомбуса 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?

Разгадка тайны шмелиного полета

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?

1. При интенсивной работе крылышек, их края образуют воздушные завихрения. Завихи убираются, как только крыло перестает взмахивать.
2. Эти завихрения воздуха обладают различной плотностью воздушного потока.
3. 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. 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!

Почему шмель не может летать по законам физики

Многие научные гипотезы, а затем и законы, были открыты при наблюдении за животными. Первые приспособления для парапланирования человека в воздухе были скопированы с крыльев птиц и насекомых. Ученые разбирали принцип полета того или иного живого существа и старались объяснить это с научной точки зрения. И лишь совсем недавно они смогли понять, почему шмель летает.

Внимание исследователей и людей науки привлекло маленькое насекомое, которое, вопреки всем известным на тот момент законам физики, летает. Его объемное тело, форма которого не отвечает аэродинамическим условиям, никак не стыковалось с маленькими невзрачными крылышками. Все в один голос утверждали, что шмель не может летать с такими физическими данными.

Ошибочная гипотеза

Математическими формулами и законами аэродинамики объясняли полеты многих насекомых:

Аэроанализу подвергали любое летающее живое существо и после некоторых вычислений становилось ясно, как оно летает. Когда очередь дошла до шмеля, который является ближайшим родственником пчелы, ученые зашли в тупик. Они пытались применить формулы, по которым рассчитывается подъемная сила, действующая на самолет.

Нет ничего удивительного в том, что эти формулы никак не подходили к полету насекомого. Площадь поверхности его крыльев была слишком мала, чтобы создать силу, способную поднять грузное тело. Никакой речи о планировании в потоке воздуха здесь не было. Вывод был однозначный и курьезный: шмель не может летать.

Все дело в крыльях

Наука и техника не стояли на месте и вскоре к вопросу о полете шмеля вернулись. Теперь к решению этой задачи подошли более тщательно, записав на видеокамеру, как летает шмель. С помощью современной аппаратуры удалось рассмотреть все движения крыльев насекомого в замедленном действии и начать строить новую гипотезу.

На видеозаписи специалисты разглядели принцип движения крыльев. Маленькие и невзрачные, они совершали очень необычные взмахи. Помимо возвратно-поступательных движений они одновременно совершали еле заметные колебательные вибрации, похожие больше на мелкую дрожь. Именно эти высокочастотные колебания стали причиной полета насекомого.

Во время наблюдений за движением крыльев мохнатого родственника пчелы было подсчитано, что он совершает ими 300-400 взмахов в секунду.

Благодаря этим микровибрациям крылышек вокруг их концов создаются завихрения воздуха с переменным значением плотности. Разница в плотности потоков воздуха и создает подъемную силу, действующую на насекомое. Такими завихрениями не обладают взмахи крыльев бабочки или пчелы, поэтому изначально к данному выводу не смогли прийти.

Доказательная база от ученого-физика

Впервые научно-обоснованное заключение по полету шмеля было представлено всеобщему обозрению в середине прошлого столетия. Женщина-физик Чжэн Джейн Ван, работающая в известном Корнеллском университете США, привела доказательную базу по образованию подъемной силы за счет завихрений.

Физик потратила немало времени на тщательные исследования по этому вопросу, и к ее гипотезе не было возражений. Еще она отметила, что основной ошибкой ученых, уверяющих, что по законам физики шмель не может летать, было отсутствие достаточных знаний в определенных разделах аэродинамики.

Применение формул, по которым рассчитывается полет авиалайнера со статичным состоянием крыльев, невозможно к расчету полета насекомого, которое активно машет крылышками в нескольких плоскостях. Такое движение в воздухе является ярким примером раздела нестационарной газово-вязкой динамики.

Итогом всех этих исследований стало окончательное заключение, что мохнатый родственник пчелы летать может. Интересней тот факт, что насекомое и без этих сложных и долгих умозаключений великих умов как летало, так и продолжает летать. Даже если впоследствии появится новая гипотеза аэродинамики шмеля, он все равно будет совершать свои ежедневные полеты, несмотря ни на что.

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

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!

По законам физики шмель летать не может, но он их не изучал и продолжает летать дальше

В начале ХХ века активно развивалось самолётостроение и взгляд инженеров пал на шмелей. Почему?

Дело в том, что согласно математическим вычислениям мухи, бабочки, пчёлы могли свободно перемещаться по воздуху, а вот пухленькое тельце шмеля, относительно маленьких крылышек подниматься никак не могло.

В то время пока сам шмель демонстративно показывал бессилие науки, утверждение о том, что летать он никак не может разбежалось по всему миру и каждый, уважающий себя самолётостроитель пытался разгадать секрет маленького насекомого.

Дак в чём же кроется тайна шмеля?

Мы всегда Вам рады, по этому ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на наш канал, что бы быть в курсе новостей и фактов из мира братьев наших меньших и читайте другие, не менее интересные статьи.

Поддержать проект можно пополнив яндекс кошелёк 410016720893674 на любую сумму.

Годы шли, а утверждение продолжало бытовать. В середине ХХ века, женщина из Корнельского университета Jane Wang, после многочисленных исследований, наблюдений и расчётов всё же смогла доказать, полёт шмеля не противоречит законам физики, а напротив, только подтверждает их. В отличие от мух, бабочек и пчёл шмели используют совершенно другую технику полёта. В то время, когда комары и остальные представители насекомых планируют в потоках воздуха, шмели создают вихревые потоки воздуха под своими крыльями и с каждым новым взмахом отталкиваются уже от них.

Конечно, в построении самолётов аэродинамика шмелей не пригодится, а вот по мере развития, позаимствовать данную технологию вполне смогут вертолёты с гибкими лопастями.

Вне закона: 6 организмов, которые не должны существовать

На планете есть организмы, которые не должны существовать, ведь они нарушают законы физики и биологии. Тем не менее такие живут — и прекрасно себя чувствуют. Как им это удается?

Существование жирафа — нонсенс, так как даже их десятикилограммовое сердце не в состоянии поднять столб крови на высоту трех метров до головы слишком высокого давления, которое заодно должно разрывать сосуды шеи. Жираф не может наклоняться: прилива крови к голове неизбежен обморок. Давление в ногах жирафа составляет около 400 мм рт. ст. Для людей фатальны куда меньшие значения, и в сосудах наших ног давление не превышает 90 мм рт. ст.

Хотя у жирафов огромное сердце, относительно размеров тела оно оказывается вполне среднестатистическим. Только в 2016 году ученые выяснили, что требуемое для подъема крови усилие создается за счет необычного строения желудочков и их укрепленной стенки. Чуть ранее было показано, что сосуды шеи не разрываются благодаря чрезвычайной эластичности, а сосуды в ногах, наоборот, напоминают крепость — настолько утолщены их стенки. Кроме того, сосуды умеют очень сильно сжиматься, чтобы противостоять внешнему давлению. А кровь не приливает к голове, когда жираф наклоняется, так как скапливается в идущих вдоль шеи венах.

Тихоходки / Tardigrada

Побывав за бортом МКС, в глубоком вакууме и космическом холоде, тихоходки выжили, а после дали плодовитое потомство. Эти существа выдерживают широкий спектр излучения, дозы которого в тысячу раз превосходят смертельный для человека уровень, нагревание до 150 °C и давление в 6000 атмосфер (нормальное давление у поверхности — 1 атмосфера).

Оказываясь в экстремальных условиях, тихоходки впадают в анабиоз: их метаболизм замедляется до 0,01% от нормального, а содержание воды в тканях падает до 1% от нормы. Клетки тихоходок выдерживают обезвоживание благодаря особым сахарам и белкам, которые принимают на себя неблагоприятные воздействия. ДНК крошечных животных защищают от радиации уникальные белки семейства dsup, которые «обволакивают» нуклеиновые кислоты, не давая излучению добраться до генов. Эти же белки спасают ДНК тихоходок от повреждения сильными окислителями вроде перекиси водорода.

Относительно небольшие крылья не могут развивать подъемную силу, достаточную, чтобы удерживать тяжелого шмеля. Первым на этот факт обратил внимание в 1934 году французский энтомолог Антуан Маньян. Исследователь готовил к изданию свой учебник под названием «Полет насекомых», и ему понадобилось рассчитать характеристики полета шмеля. Маньян поручил вычисления помощнику, инженеру Андре . Тот, применив известные тогда принципы аэродинамики, однозначно заключил, что шмель летать не может.

Законы физики не мешают шмелям летать, просто принципы полета насекомых совсем не те, что применяют при конструировании самолетов. В отличие от самолетных крыльев шмелиные при взмахе изгибаются, создавая , которые поднимают насекомых вверх и при взмахе, и при опускании крыльев.

За один прыжок кенгуру преодолевают до девяти метров, а прыгать они могут часами. Расчеты показывают, что такая прыгучесть требует минимум в 10 раз больше энергии, чем звери получают из пищи.

Упругие сухожилия в задних конечностях запасают до 70% энергии для прыжка. Кроме того, задача оттолкнуть тело от земли значительно облегчается за счет компенсаторных движений разных частей тела кенгуру, в первую очередь хвоста и головы. Простые расчеты, подразумевающие, что кенгуру — нечто вроде мешка с картошкой, который нужно поднимать и опускать на землю, не включают все эти факторы.

Археи / Thermococcus gammatolerans

Эти похожие на бактерий существа переносят дозу радиации в 30 000 грей. Человек умирает, получив всего 5 грей: излучение такой интенсивности в клочки рвет ДНК. Кроме того, T. gammatolerans отлично себя чувствуют в кипятке: в гидротермальных источниках, где их обнаружили в 2003 году, температура достигает 100 °C.

Как T. gammatolerans выдерживают убийственную радиацию, до конца неясно. Микроорганизмы восстанавливают ДНК благодаря очень активным системам «ремонта» нуклеиновых кислот. Но их недостаточно, чтобы противостоять дозе в 30 000 грей, так что исследователи активно изучают T. gammatolerans: возможно, их способы защиты удастся применить для «починки» повреждений ДНК у человека.

Если бы автомобиль ездил со скоростью колибри (относительно своих размеров), он бы развивал сумасшедшие 2090 км/ч — в 1,7 раза быстрее скорости звука! За секунду колибри перемещается на расстояние, в 380 раз превышающее длину ее тела. за то же время преодолевает дистанцию в 38 раз больше собственной длины. Чтобы так разгоняться, птичкам приходится делать до 80 взмахов в секунду. При этом «полетный КПД» мышц крыльев не превышает 20%, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Учитывая, что колибри живут в жарком климате, а перья не дают теплу уходить в окружающую среду, птицы должны нагреваться до температур, несовместимых с жизнью.

Отвод тепла колибри долгое время оставался загадкой. Но в 2016 году исследователи при помощи высокочувствительных инфракрасных видеокамер смогли зафиксировать, как именно птицы охлаждаются в полете. Оказалось, что тепло отводится через несколько особых зон: вокруг глаз, на ногах, под крыльями и на животе. Температура этих областей в среднем на 8 °C выше температуры окружающего воздуха, и в зависимости от скорости полета организм колибри «выбирает», через какие зоны и с какой интенсивностью избавляться от лишних градусов. То есть секрет колибри — в ювелирном распределении теплоотводных зон и их тончайшей регуляции.

Полёт шмеля

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. Вы 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. Эти 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. В 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. Применение 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.

Почему шмель не может летать?

Говорят, что по законам аэродинамики шмель летать не может. Это почему?

Если шмель не может летать, значит, он приболел или лишился своих небольших по площади, но очень подвижных крылышек, способ функционирования которых тщательно исследовался учёными (почитать можно здесь). Как видим, полёт осуществляется за счёт вращения — возникающей силы достаточно, чтобы поднимать, удерживать в воздухе и перемещать даже такую «бомбочку».

Существует мнение, что, согласно теории, шмель не должен уметь летать, так как это противоречит всему, но после тщательно исследования, ученые поняли, как это происходит на самом деле. Крылья шмеля изгибаются, тем самым создавая вихри, и являясь источниками подъемной силы при взмахах и опускании.

Другими словами, крылья шмеля образуют временные мощные силы, образующиеся в начале и конце каждого взмаха. С помощью торможения подобные силы необъяснимы.

Силы эти достигают максимума во время обратного взмаха, когда крыло начинает быстро вращаться. Из этого следует сделать вывод, что вращение в полете шмеля играет немаловажную роль.

Непознанное и удивительное

Парадокс шмеля

«Шмель – это просто большая пчела, только не жалит и меда не делает. А еще не может летать по законам аэродинамики, но все равно летает!» Хотя, слово «просто» к шмелям применять не стоит, так как у них множество интересных и неожиданных граней.

Шмель, действительно, не просто похож на пчел, но и напрямую относится к их славному семейству. В общем-то, кроме шмелей и пчел в него больше никто и не входит, зато тех и других около 170 родов и более 5 000 видов. Шмели тут, правда, в меньшинстве – 40 родов и 300 видов, но числа все равно впечатляют.

Близкое родство очевидно даже при первом взгляде, но шмели крупнее медоносных пчел раза в два и значительно пушистее. Окраска шмелей, как правило, жёлто-чёрная, часто в полоску.

Кроме того, встречаются виды шмелей с красными или оранжевыми полосами, а некоторые виды окрашены в сплошной чёрный цвет. Предполагается, что окрас шмелей связан с необходимостью баланса между терморегуляцией и мимикрией (маскировочной или предупреждающей).

Как и все пчелы, они живут колониями от пятидесяти до двухсот особей, в которые входят неспособные к размножению самки-рабочие, половозрелые самки и самцы. Самцы имеют более длинные усики, чем у самок. Матки крупнее самцов и снабжены жалом, как и рабочие.

Лидер гнезда, строящий его в начале каждой весны с нуля – матка. Все яйца откладываются в одну камеру, где сперва выводится пара сотен рабочих, затем — полноценные самки и самцы для размножения.

Такие условия жизненно необходимы, ведь срок жизни пчелиного гнезда не превышает полугода. Сперва матка заботится о рабочих, выкармливает их и воспитывает, пока те не переходят на самообеспечение.

Продолжатели пчелиного рода, способные к размножению, появляются на свет лишь в конце лета, чтобы чуть-чуть полетать, поопылять растения, пособирать пыльцу, спариться и окончить на том сказочку. Самцы умирают, самки впадают в спячку, а старая матка погибает. Печальная, но на удивление эффективная схема. Весной самки проснутся, и цикл начнется с нуля.

Даже в чрезвычайно короткой жизни шмеля может найтись место для необычных моментов, по крайней мере, с человеческой точки зрения. К примеру, мед они производят не хуже, чем другие пчелы, но он жидкий, по внешнему виду скорее напоминает сахарный сироп и начинает бродить уже при температуре +4°С.

Несмотря на распространенное мнение, жалить шмели умеют, хоть делают это, действительно, реже обычных медоносных пчел. Зато если уж возьмутся за работу (например, оберегая гнездо), то могут наградить обидчика-человека доброй сотней уколов.

Жало шмеля больше напоминает жало осы и шершня – оно гладкое и легко вынимается из кожи для повторной атаки. Яд не более опасен, чем пчелиный, но учитывая размер шмелей, их лучше не провоцировать ни при каких обстоятельствах.

Густая «шерсть» на теле шмеля нужна ему не только для красоты: она хорошо хранит тепло, позволяя насекомому вылетать за пыльцой и нектаром спозаранку, когда воздух еще слишком холодный и другие насекомые сидят в своих укрытиях.

В итоге, первый нектар достается именно этим наиболее устойчивым к холоду труженикам. По сути, шмели являются живыми обогревателями, с помощью быстрого сокращения мышц груди повышающими температуру своего тела до 40°C.

Любопытно, что в большую жару шмель неспособен летать, так как перегревается. Правда, несмотря на всю свою «нордическую» природу, это насекомое обладает и механизмом охлаждения. Для этого в полете шмель выпускает каплю жидкости изо рта, которая испаряясь охлаждает ему голову.

Распространено заблуждение, будто шмели летают, нарушая законы аэродинамики: «Шмель не должен летать по законам физики, но не знает об этом и все равно летает». Звучит поэтично, спору нет, только вот к реальности это высказывание не имеет ни малейшего отношения.

Легенда гласит, что в начале XX века некий ученый попытался вычислить подъемную силу крыльев шмеля и пришел к неутешительному выводу, что те слишком малы и не могут поддерживать насекомое в воздухе.

Неизвестно, существовал ли подобный эксперимент на самом деле, поскольку из научных текстов можно найти лишь исключительно его опровержения. Механика крыльев у насекомых в целом довольно запутанная штука, но, разумеется, никаких законов аэродинамики и физики она не нарушает. Скорее напротив, является ярким их подтверждением.

Молниеносное движения крыльев шмеля можно сравнить с лопастями микроскопического вертолета, так как принцип более или менее тот же. Единственное, в чем данная байка хоть сколько-то права – летун из бочкообразного шмеля весьма посредственный.

Медоносные пчелы летают лучше шмелей, осы – тоже, а про каких-нибудь мух и говорить нечего. Но шмелиные крылья все же честно выполняют свою роль, доставляя хозяина по назначению безо всяких физических парадоксов.

Кажется, что в шмелином быте, за исключением короткой жизни, царит покой и дружелюбие. Но в семье не без черной овцы или же, в данном случае, кукушки. Шмели-«кукушки» – натуральные паразиты, выживающие исключительно за счет других. Они не собирают пыльцу, зато драться умеют за десятерых, и в этом им помогают более острые жала и челюсти, а также крепкий хитиновый скелет.

Кукушки, как следует из названия, проникают в чужие гнезда, чтобы подбросить хозяевам собственное потомство. Обычно для этого убивается матка и все рабочие, кто осмелится что-то прожужжать против, но ряд видов довольно мирно сосуществуют со своими жертвами. Объедают, конечно, но убивать не станут.

Причем, каждый отдельный вид «кукушек» выбирает себе целью лишь пару «собственных» видов обычных земляных шмелей, отыскивая тех по особым феромонным меткам. Захватив гнездо, паразиты заставляют чужих рабочих пахать на себя, так как собственных породить не в состоянии.

Индивидуальная сила не всегда спасает: периодически обитатели гнезда дают отпор и затыкивают вторженца жалами насмерть. Но самую оригинальную стратегию обороны выработали североамериканские шмели Bombus fervidus. Завидев в своем доме «кукушку», они тут же подносят ей «хлеб-соль», а точнее, сладкий нектар.

Сперва захватчик доволен теплым приемом, пока с удивлением не обнаружит, что нектара как-то многовато. Все тело «кукушки» покрывает клейкая масса, залепляющая глаза и усики, сковывающая крылья, не дающая дышать. Если незваный гость не уберется восвояси, мучительная смерть неминуема — сладкая, медленная и до чертиков ироничная.

Интересно, что несмотря на малые размеры мозга, шмели демонстрируют сложное социальное поведение, способности к логике и обучению. Так, в ходе исследования ученые провели эксперименты с земляными шмелями.

Насекомым были предложены три пластиковых «цветка», в центре которых размещался раствор сахарозы. При этом, «цветки» размещались под прозрачной перегородкой и были напрямую недоступны шмелям.

Специальные шнуры позволяли шмелям вытянуть «цветы» наружу. Сначала «цветки» были свободно доступны, но постепенно ученые все дальше и дальше прятали их под стекло, пока единственным способом добраться до сахара оказался – «дернуть за веревочку».

Из 40 подопытных шмелей с задачей смогли справиться 23. Затем исследователи помещали еще необученных шмелей так, чтобы те могли наблюдать за действиями других сородичей, которые добывали лакомство из-под прозрачной перегородки.

Более 60% из них быстро переняли новый навык и, в свою очередь, смогли извлечь сахар сразу из полностью скрытого «цветка», при этом максимально точно копируя действия «учителей».

Учитывая мирный нрав рядовых шмелей, а также выдающуюся способность к опылению, их понемногу используют на полях и в теплицах. Первая компания, специализирующаяся на разведении шмелей возникла в Бельгии в 1987 году, а следом подобные предприятия начали открываться по всему миру.

Сегодня их число уже выросло до почти четырех десятков. Что тут сказать? Если ты – пчела, пусть и необычная, волей-неволей придется дружить с человечеством. Отнюдь не худший расклад для обоих сторон.