Биогидродинамика плавания и полета (Ентов В.М., 1980 - Биогидродинамика плавания и полета), страница 4

крылом, а эффективный угол атаки переднего крыла увеличивается примерно иа ту же величину благодаря иачичию направленного вверх потока перед задним крылом. Вейс-Фо и Р(евсеи [41) провели отдельные измерения ко. эффициеитов подъемной силы и сопротивления при стацио. Аэроданалаческае аспекты полета животных карпом обдуве в зависимости от угла атаки для переднего и заднего крыльев. Их данные показаны иа рис. !1 вместе с соответствующими кривыми для двух стаидартиых крыловых профилей, используемых в авиации. Главный недостаток крыла насекомого — более высокое мииимальвое значение коэффициента сопротивления Со, примерво 0.05, по сравнению со значениями около 0.03 для авиационных профилей (которые, с другой стороны, относительно более массивны).

Оии использовали эти даииые и данные по измерению угла атаки (скорректироваииые, как это упомянуто выше, иа эффекты взаимодействия крыльев), чтобы получить оценки изменения вертикальной компоиеиты силы, действующей иа 0.2 ОЛ 02 О.! 0.2 ол 0.2 Рис. 11. Соотношение между козффипиеепом подъем юй силы (ордината) и козффипиентом сопротивления (абсцисса) для двух используемых в тех. нике крыльев с удлинением, равным 5, в сравнение с крыльями саранчи !41].

Числа вблизи кривых указывают значения уела атаки; а — профиль Геттинген № 406; б — профиль Геттинген № 451; в — оерелнее крыло са. ранчн; г — заднее крыло саранчи. каждое крыло, со временем (рис. 12, иа котором приведены результаты для двух различных эксперимеитов 1 и П со средней подъемвой силой, составляюп)ей 97 и 111% от веса насекомого соответственно)., Важным элементом проверки этих результатов было весьма хорошее согласие (с ошибкой 3 и 7% соответственно) измеренных фактически и получеииых по приведенным кривым значений полной средней подьемиой силы.

Примерно 70% этой средней подъемной силы приходится иа долю заднего крыла, а 30% — иа долю переднего. Как и предполагалось, подъемная сила создается главным образом при взмахе вниз. Аналогичным образом Вейс-Фо и Йеисеи [41[ проанализировали горизонтальные усилия (тягу), создаваемые крыльями, используя иа этот раз для проверки тот факт, что средняя тяга крыльев должна уравновешивать сопротивление 23 Аэродинамические аспекты полета животин» О.В 2.0 Взметанна Вз аз зв т ~ Мватзнп ' 1(97%) ~ к О(1П%) ' !.В х !2 - х к х О.В " х х! х О 02 ОА ОВ ОВ !О Т Рнс. 12. Изменение подъемной силы зе время взмаха крыла 5сп)з)осегсв Отеявыв (4!].

Наверху — длн лвух передннх крыльев, внизу — длн двух задних крыльев. Абсцисса — время в долпк продолжнтельностн взмаха, отсчитываемое от момента, когда переднее крыло находится в верхнем положеннп. Ордннзтз — подъемная сила, действукнцзн нв крыло, в долях от среднего знзченнн полной подъемной силы, Рпс. 13. Изменение тяги зз время взмзкз кпылз. Наверху — длн двух передних крыльев; внизу — длн двух задних крыльев. Абсцисса тз же, что на рнс.

12. Орднпзта — тяга крыла в долях от среднего значения тяги. тела, которое бьзло измерено отдельно. На рис. 13 показана в функции времени тяга, создаваемая каждой парой крыльев в долях полной средней тяги, развиваемой обеими парами кРыльев (что составлЯет фактически около 7а7а полной сРеД- ней подъемной силы). Примерно три четверти этой средней тяги создаются задними крыльями. После весьма обширных исследований в аэродинамической трубе, которые я лишь кратко резюмировал здесь с аэродинамической точки зрения, Р)енсен и Вейс-Фо 141] выяснили также некоторые «конструктивные» особенности, имеющие большое значение для полета саранчи и большинства других насекомых: их способность совершать высокочастотные резонансные колебания.

Говоря кратко, внешний скелет насекомого, состоящий из жесткой кутикулы с хорошими упругими свойствами и соединительной ткани, содержащей высококачественный полимер (резилин), похожий на вулканизированный каучук, упруго и с малым затуханием реагирует на сложные колебания крыльев с большой амплитудой. При всех многочисленных преимушествах позвоночных развитию у них высокочастотных колебательных движений сильно помешало отсутствие «конструкционного материала» или полимера с упругими свойствами, хотя бы примерно сопоставимыми со свойствами кутикулы и резплина. При каждом взмахе крыла птицы нужно отдельное мускульное усилие для того, чтобы ускорить или замедлить крыло, иными словами, чтобы преодолеть его инерцию. Инерция крыла у насекомых уравновешивается главным образом упругими силами, а мускульная сила должна преодолевать лишь аэродинамическое сопротивление.

Конечно, у птиц есть и свои уникальные преимущества, в том числе н те, которые связаны с «конструкцией» крыла из перьев. Непроницаемое крыло насекомых обладает меньшей приспособляемостью и менее эффективно аэродинамнчески, но в нем достигнут разумный компромисс между конструктивными и прочими требованиями благодаря общеизвестному жидковаиию (см., например, [1О, стр. 115]); очень тонкое крыло упрочнено сложной системой жилок, пустотелых трубочек из утолщенной и затвердевшей кутикулы, в которых заключены нервы, а также отдельные пути подвода воздуха и крови, Главный вывод Вейс-Фо и йенсена (41], что полет насекомых происходит при значениях частотного параметра, достаточно малых для того, чтобы квазистационарный подход оказался удовлетворительным, был подтвержден для насекомых в целом другими исследованиями.

На рис, 14, занмство- Дж. Лай тхилгл 60 3 Чо 100 20 -20 -60 ! 2 3 11'60 с 10 1 1О 1000 -рш— ванном пз [Зо), приведены некоторые данные для стрекозы [.аг[опа; отметим то же самое отставание по фазе переднего крыла по отношению к заднему. У многих насекомых других групп (см., например, [!О!) независимое движение четырех крыльев отсутствует. У двукрылых Р!р1ега («мух»), конечно, задние крылья полностью Рнс. 14. Угловое движение крыльев стрекозы Еабопа ехцша по данным скоростной кнносьемкн закрепленного насекомого [33), 0 — угол, составляемый костальной жилкой с вертикалью; 1 — заднее крыло; 2 — переднее крыло.

Рцс, 15. «Обьеднненные крылья» [1О): а — налегаюшне друг на друга крылья бабочки; б — соеднннтельный элемент переднего крыла Щузсорй(- !а (Тгк йор1ега); в — соединительные крючка Масгопегпа (Тнсйоргега); г — то эке в разрезе; д — соединительные элементы крыльев Рапогра (Месор1ега); е — детальное строение основания крыла бражннцз Егу|зп!з Лэродинамическив аспекты полета животных дегеперированы (см. раздел, посвященный управлению полетом); напротив, у жесткокрылых Со!еор1ега («жуков») передние крылья переродились в защитные покровы (над.

крылья), не совершающие маховых движений. На рнс. !5 показаны «объединенные» крылья: переднее и заднее крылья соединены таким образом, что они совершают взмах заодно Рнс. !6. Завнснмость между полной массой мышц в полной массой насекомых [12). Абсцисса — полная масса, мг! орднната — масса мышц, мг; числа около прямых означают относительную массу мышц в процентах. либо в результате простого налегания, как это имеет место у бабочек, либо при помощи разнообразных соединительных элементов в форме крючков, спепляющих крылья, как это имеет место у других (.ер!бор1ега, Нутепор1ега, Тг!с)гор1ега («ручейников») н Месор1ега («скорпионовых мух»).

По мере того как мы удаляемся от отрядов насекомых, которые первыми появляются в древних отложениях (например, Ог1нор1ега — кузнечики и Ог(опа1а — стрекозы), дяг. Ладтхилл наблюдаются изменения в устройстве мышечного аппарата. Вместо обычных мышц, активнруемых нервами по разу на каждый взмах крыла [нейрогенные мышцы), у многих групп насекомых развились так называемые миогенные или фибриллярные мышцы, которые сами могут входить в колебательный режим без того, чтобы каждое отдельное сокращение вызывалось отдельным импульсом потенциала действия в двигательном нейроне. Эти фибрплляриые мышцы достигают наивысшей специализации у Со[сор1ега, Нутепор1ега и [1!р[ега. Это обстоятельство, равно как н упомянутые выше упругие свойства, было совершенно необходимо для достижения частоты взмахов, превосходящей 100 Гц, что, как мы увидим ниже [см.

ч. 3), сделало возможным замечательное уменьшение размеров тех насекомых, которые все еще способны висеть в воздухе. Частоты взмахов крыльев до нескольких сот герц обычны для малых [У!р1ега и Нугпепор[ега. Наконец, из рнс. 16 видно, что для весьма разнообразных насекомых масса мышц составляет от 10 до 20% общей массы насекомого. Это подтверждает тот известный факт, что вес силовой установки неизбежно составляет весьма зна чнтельную часть всего веса летательного аппарата. Птицы У птиц мы обнаруживаем аналогичное соотношение между массой тела и мышц, но, конечно, фундаментальные различия в устройстве мускулатуры и скелета. В то же время в аэродинахтике машущего полета птиц и насекомых имеется гораздо больше сходства и лишь незначительные различия.

Классическое исследование полета голубя Со1шпЬа, про. веденное Брауном [4], четко установило основные черты аэродинамики полета, надежность которых была затем под. креплена исследованиями в аэродинамических трубах, про. веденнымн Пеиникуиком [30), Таккером [39) и другими. Браун выучил голубей пролетать по прямой через кори дор длиной 60 м к клетке, расположенной в одном из концов коридора. В середине коридора была установлена аппара тура для скоростной киносъемки. На рис. 17 показана по. следовательность полученных таким образом снимков голубя Со!шпЬа, летящего со скоростью 10 и/с, соответствующей числу Рейнольдса около 10', рассчитанному по хорде кры ла с.