На uCrazy 18 лет 1 месяц
5 неординарных способов полета, подсмотренных учёными и инженерами в живой природе
Летать могут многие живые существа. У некоторых наличие этого умения заметно по внешнему виду. Иногда кажется, что благодаря изящным, стремительным, обтекаемым формам они буквально созданы парить в небе.
Есть, однако, и такие летуны, у которых данный талант не угадывается или вызывает серьезные сомнения. Но именно они являются настоящим подарком для ученых. Изучение аэродинамики перемещения их тел в воздушном пространстве привело к появлению немалого количества интереснейших технологий.
Кальмары
Способностью к полету обладают несколько видов этих головоногих. Они преодолевают значительные расстояния, двигаясь на весьма приличной скорости. Неоновый летающий кальмар (Ommastrephes bartramii), например, разгоняется до 11.2 м/с (40 км/ч). Морские обитатели находятся в воздухе около трех секунд, но способны пролететь за это время до тридцати метров.
Схема полета кальмара. Рисунок из статьи K. Muramatsu et al., 2013
Вылет из воды осуществляется посредством выстреливания мощной водной струи из сифона – многофункционального трубчатого органа, который набирает влагу в жабры или выталкивает её, создавая ускорение. Кальмар может изменять направление исходящего потока, что позволяет «маневрировать» как под водой, так и над ней.
Оказавшись в воздухе, кальмар расправляет плавники и щупальца. Это позволяет создать подъемную силу и планировать по весьма изящной дуге.
Долгое время считалось, что головоногие выпрыгивают из воды, чтобы спастись от хищников, однако в 2013 году японские ученые опубликовали исследование, они предполагают, что этот прием используется преимущественно для экономии сил. Скорость движения в воздухе у кальмаров почти в четыре раза больше, чем в воде, и при этом требует меньше энергии. Таким образом, полет является эффективным способом передвижения, особенно во время долгих миграций.
Подсмотрев описанную механику у головоногих, ученые создали роботов, способных плавать под водой и «выпрыгивать» из неё. Эти устройства оказались весьма экономны в отношении расхода энергии при смене одной среды на другую, что позволило решить давнюю проблему, стоявшую перед инженерами. Считается, что подобные роботы могут использоваться для разведки в зонах затопления, куда нелегко добраться обычным плавсредствам.
Летучие рыбы
Эти морские обитатели прекрасно летают. Что, согласитесь, несколько удивительно, ведь это все-таки рыбы, покидающие среду обитания, а не птицы. Они являются одними из рекордсменов по скорости перемещения под водой, разгоняясь почти до 60 км/ч. Именно этот импульс позволяет им выпрыгивать в воздух, где они затем планируют, раздвинув непропорционально крупные плавники, похожие на крылья.
В таком случае этот стиль полета гораздо эффективнее, чем быстрые взмахи конечностями. Он позволяет преодолевать большие расстояния, иногда до 400 метров. В 2010 году ученые изучили на симуляторе аэродинамику полета летучих рыб. Выяснилось, что они планируют не хуже ястребов.
Результат достигается благодаря тому, что рыбы располагают туловища близко к воде и параллельно ей. Это положение позволяет добиться максимального «аэродинамического качества», то есть соотношения подъемной силы к лобовому сопротивлению. Здесь имеет место тот же эффект, что у заходящего на посадку самолета. Воздух, срываясь с кончиков плавников, образует завихрения, которые разрушаются, соприкасаясь с поверхностью воды. Это уменьшает сопротивление и генерирует давление, поддерживающее рыбу в воздухе.
Этот феномен известен как «граунд-эффект», но название не должно вводить в заблуждение. Он возникает как над сушей, так и над поверхностью воды. Также летучие рыбы умеют придавать себе дополнительный импульс. Оказавшись слишком близко к воде, они отталкиваются от неё хвостом.
Ученые изучают аэродинамику этого уникального стиля, так как полученные знания способны помочь в создании новых и более эффективных, например, экранопланов, использующих тот же самый граунд-эффект. Эти летательные аппараты проносятся в непосредственной близости от поверхности воды, что позволяет снизить лобовое сопротивление и расход топлива, а также увеличить скорость.
Бабочки
Все мы любим смотреть, как бабочки порхают над цветами в наших садах, но их полет на первый взгляд не кажется сколько-нибудь осмысленным. Тем не менее, шведские ученые выяснили не так давно, что инженерам есть чему поучиться у природы и в этом случае. Бабочки на самом деле летают очень умело – благодаря большим изгибающимся крыльям.
Исследователи поместили насекомых в аэродинамическую трубу и изучили их движения. Выяснилось, что в тот момент, когда они поднимают крылья, те сгибаются и складываются, создавая между собой наполненный воздухом карман. Затем следует хлопок, выдавливающий газ назад и генерирующий струю, подталкивающую бабочку вперед. Это позволяет держаться в воздухе до следующего взмаха.
Впервые полет этих существ был детально описан более пятидесяти лет назад. Однако секрет хлопка был раскрыт лишь недавно, и он по-настоящему вдохновляет исследователей. Этот прием помогает бабочкам мгновенно взлетать в случае опасности. Согласно подсчетам ученых, гибкие крылья работают на 28% эффективнее негнущихся. Поэтому учеными было предложено создать миниатюрные дроны, использующие подсмотренную у бабочек механику полета.
Дроны размером с бабочку действительно уже существуют, но ни один из них не генерирует движущую струю посредством хлопка крыльями в одной из фаз амплитуды. Возможно, добавление этой недостающей детали позволит повысить продолжительность и дальность полета подобных беспилотных летательных аппаратов.
Комары
Каждому из нас приходилось с нескрываемой злостью смотреть вслед комару, который, насосавшись крови, как ни в чем ни бывало улетает прочь. Эти насекомые действительно славятся умением кусать незаметно, не тревожа свою жертву. Как им это удается?
Поев, комары не просто отталкиваются ногами вверх. Прежде чем взлететь, насекомые «запускают» крылья, совершая ими более пятисот взмахов в секунду. В результате отрыв получается незаметным для «потерпевшего».
При этом комары выписывают крыльями «восьмерки», создавая небольшие завихрения низкого давления, срывающиеся с передних кромок. Эти возмущения генерируют подъемную силу, как у летучих рыб и многих видов насекомых. Но кровососы добавляют к распространенному шаблону небольшую изюминку, которая делает полет ещё более эффективным.
В одной из фаз они немного меняют наклон крыльев, улавливая завихрения от предыдущего взмаха. Это порождает второе поколение возмущений, которые на этот раз «стекают» с заднего края крыльев. Дополнительное движение почти не требует приложения сил и, если верить исследователям, является главным фактором незаметности комариного взлета.
Ученые также попытались выяснить, что помогает насекомым одинаково успешно летать на «пустой и полный желудок». Исследователи из Нидерландов сравнили скорость взлета ещё не обедавших и уже наевшихся комаров. Оказалось, что последние компенсируют добавочный вес посредством увеличения амплитуды взмахов крыльев. Кроме того, они располагают туловища более вертикально.
Такие наблюдения могут показаться чересчур странными, но надо понимать, что они осуществляются с практической целью. Конкретно в этом случае ученые хотят создать малозаметные миниатюрные дроны. Подсмотренная у комаров техника «пилотирования», как кажется, вполне способна дать им возможность приземляться и взлетать, оставаясь незамеченными.
Одуванчики
Некоторые растения также не чужды полета. Кто из нас в детстве не сдувал пышные шапочки одуванчиков? Оказывается, у их разлетающихся семян весьма интересная аэродинамика. До недавнего времени она вообще казалась невозможной.
Точно так же, как комары и летучие рыбы, они генерируют подъемную силу с помощью завихрений. При этом ученые всегда искренне считали, что для образования этих возмущений требуется взаимодействие с воздухом какой-то существенной поверхности, вроде того же крыла. Но семена одуванчика опровергли это представление. Они создают вихри с помощью пуха, который украшает верхнюю часть волосков.
Воздух закручивается в этой своеобразной сети, создавая сопротивление, которое не дает семенам падать на землю. Внутри шапочки одуванчика от 90 до 110 волосков, и это является одним из важнейших факторов успешности их полета.
Ученые, проводившие «летные испытания» с семенами растения, выяснили, что слишком сильное отклонение от усредненного шаблона делает полет нестабильным. В этой связи интересен ещё один факт: похожий пушок есть на ногах и крыльях у многих насекомых. Это может означать, что та же самая механика используется и ими.
Оказавшись в воздухе, кальмар расправляет плавники и щупальца. Это позволяет создать подъемную силу и планировать по весьма изящной дуге.
Долгое время считалось, что головоногие выпрыгивают из воды, чтобы спастись от хищников, однако в 2013 году японские ученые опубликовали исследование, они предполагают, что этот прием используется преимущественно для экономии сил. Скорость движения в воздухе у кальмаров почти в четыре раза больше, чем в воде, и при этом требует меньше энергии. Таким образом, полет является эффективным способом передвижения, особенно во время долгих миграций.
Подсмотрев описанную механику у головоногих, ученые создали роботов, способных плавать под водой и «выпрыгивать» из неё. Эти устройства оказались весьма экономны в отношении расхода энергии при смене одной среды на другую, что позволило решить давнюю проблему, стоявшую перед инженерами. Считается, что подобные роботы могут использоваться для разведки в зонах затопления, куда нелегко добраться обычным плавсредствам.
Летучие рыбы
Источник изображения: pixabay.com
Эти морские обитатели прекрасно летают. Что, согласитесь, несколько удивительно, ведь это все-таки рыбы, покидающие среду обитания, а не птицы. Они являются одними из рекордсменов по скорости перемещения под водой, разгоняясь почти до 60 км/ч. Именно этот импульс позволяет им выпрыгивать в воздух, где они затем планируют, раздвинув непропорционально крупные плавники, похожие на крылья.
В таком случае этот стиль полета гораздо эффективнее, чем быстрые взмахи конечностями. Он позволяет преодолевать большие расстояния, иногда до 400 метров. В 2010 году ученые изучили на симуляторе аэродинамику полета летучих рыб. Выяснилось, что они планируют не хуже ястребов.
Результат достигается благодаря тому, что рыбы располагают туловища близко к воде и параллельно ей. Это положение позволяет добиться максимального «аэродинамического качества», то есть соотношения подъемной силы к лобовому сопротивлению. Здесь имеет место тот же эффект, что у заходящего на посадку самолета. Воздух, срываясь с кончиков плавников, образует завихрения, которые разрушаются, соприкасаясь с поверхностью воды. Это уменьшает сопротивление и генерирует давление, поддерживающее рыбу в воздухе.
Этот феномен известен как «граунд-эффект», но название не должно вводить в заблуждение. Он возникает как над сушей, так и над поверхностью воды. Также летучие рыбы умеют придавать себе дополнительный импульс. Оказавшись слишком близко к воде, они отталкиваются от неё хвостом.
Ученые изучают аэродинамику этого уникального стиля, так как полученные знания способны помочь в создании новых и более эффективных, например, экранопланов, использующих тот же самый граунд-эффект. Эти летательные аппараты проносятся в непосредственной близости от поверхности воды, что позволяет снизить лобовое сопротивление и расход топлива, а также увеличить скорость.
Бабочки
Все мы любим смотреть, как бабочки порхают над цветами в наших садах, но их полет на первый взгляд не кажется сколько-нибудь осмысленным. Тем не менее, шведские ученые выяснили не так давно, что инженерам есть чему поучиться у природы и в этом случае. Бабочки на самом деле летают очень умело – благодаря большим изгибающимся крыльям.
Источник изображения: pixabay.com
Исследователи поместили насекомых в аэродинамическую трубу и изучили их движения. Выяснилось, что в тот момент, когда они поднимают крылья, те сгибаются и складываются, создавая между собой наполненный воздухом карман. Затем следует хлопок, выдавливающий газ назад и генерирующий струю, подталкивающую бабочку вперед. Это позволяет держаться в воздухе до следующего взмаха.
Впервые полет этих существ был детально описан более пятидесяти лет назад. Однако секрет хлопка был раскрыт лишь недавно, и он по-настоящему вдохновляет исследователей. Этот прием помогает бабочкам мгновенно взлетать в случае опасности. Согласно подсчетам ученых, гибкие крылья работают на 28% эффективнее негнущихся. Поэтому учеными было предложено создать миниатюрные дроны, использующие подсмотренную у бабочек механику полета.
Дроны размером с бабочку действительно уже существуют, но ни один из них не генерирует движущую струю посредством хлопка крыльями в одной из фаз амплитуды. Возможно, добавление этой недостающей детали позволит повысить продолжительность и дальность полета подобных беспилотных летательных аппаратов.
Комары
Источник изображения: pixabay.com
Каждому из нас приходилось с нескрываемой злостью смотреть вслед комару, который, насосавшись крови, как ни в чем ни бывало улетает прочь. Эти насекомые действительно славятся умением кусать незаметно, не тревожа свою жертву. Как им это удается?
Поев, комары не просто отталкиваются ногами вверх. Прежде чем взлететь, насекомые «запускают» крылья, совершая ими более пятисот взмахов в секунду. В результате отрыв получается незаметным для «потерпевшего».
При этом комары выписывают крыльями «восьмерки», создавая небольшие завихрения низкого давления, срывающиеся с передних кромок. Эти возмущения генерируют подъемную силу, как у летучих рыб и многих видов насекомых. Но кровососы добавляют к распространенному шаблону небольшую изюминку, которая делает полет ещё более эффективным.
В одной из фаз они немного меняют наклон крыльев, улавливая завихрения от предыдущего взмаха. Это порождает второе поколение возмущений, которые на этот раз «стекают» с заднего края крыльев. Дополнительное движение почти не требует приложения сил и, если верить исследователям, является главным фактором незаметности комариного взлета.
Ученые также попытались выяснить, что помогает насекомым одинаково успешно летать на «пустой и полный желудок». Исследователи из Нидерландов сравнили скорость взлета ещё не обедавших и уже наевшихся комаров. Оказалось, что последние компенсируют добавочный вес посредством увеличения амплитуды взмахов крыльев. Кроме того, они располагают туловища более вертикально.
Такие наблюдения могут показаться чересчур странными, но надо понимать, что они осуществляются с практической целью. Конкретно в этом случае ученые хотят создать малозаметные миниатюрные дроны. Подсмотренная у комаров техника «пилотирования», как кажется, вполне способна дать им возможность приземляться и взлетать, оставаясь незамеченными.
Одуванчики
Источник изображения: Wikimedia.org
Некоторые растения также не чужды полета. Кто из нас в детстве не сдувал пышные шапочки одуванчиков? Оказывается, у их разлетающихся семян весьма интересная аэродинамика. До недавнего времени она вообще казалась невозможной.
Точно так же, как комары и летучие рыбы, они генерируют подъемную силу с помощью завихрений. При этом ученые всегда искренне считали, что для образования этих возмущений требуется взаимодействие с воздухом какой-то существенной поверхности, вроде того же крыла. Но семена одуванчика опровергли это представление. Они создают вихри с помощью пуха, который украшает верхнюю часть волосков.
Воздух закручивается в этой своеобразной сети, создавая сопротивление, которое не дает семенам падать на землю. Внутри шапочки одуванчика от 90 до 110 волосков, и это является одним из важнейших факторов успешности их полета.
Ученые, проводившие «летные испытания» с семенами растения, выяснили, что слишком сильное отклонение от усредненного шаблона делает полет нестабильным. В этой связи интересен ещё один факт: похожий пушок есть на ногах и крыльях у многих насекомых. Это может означать, что та же самая механика используется и ими.
Комментариев пока нет
