Новосибірський державний технічний університет.
Реферат по курсу спец. голови фізики на тему:
"Як комахи створюють сили, необхідні для польоту."
Факультет: РЕФ
Група РФ 1-92
Виконала: Вохміна Н.В.
Новосибірськ 2000.
Зміст.
| Вступ | 3 |
| Фізичні основи польоту. | 3 |
| Будова Крилової апарату. | 4 |
| Підходи нестаціонарної аеродинаміки. | 5 |
| Як утворюються вихрові кільця. | 6 |
| Еволюція аеродинаміки польоту комах. | 7 |
| Висновок. | 9 |
| Література. | 10 |
Введення.
Хто з нас не милувався безшумним польотом метеликів на залитій сонцемгалявині або стрімкими кидками мухи - дзюрчалка над квітучою геранню?
Хто не завмирав від здивування, стежачи за віртуозними рухами бабок,ганяють один за одним уздовж берега? Всі ми віддаємо належне польотниммайстерності цих крихітних істот. Але саме вражаюче полягає в тому,що комахи навчилися літати дуже давно - не менше третини мільярда роківпройшло з тих пір, як комахи пурхають і носяться над поверхнею Землі. Анаші знання про те, як працює Крилової апарат, до цих пір поверхневі.
Ключовим питанням у вивченні польоту комах залишається проблемастворення аеродинамічних сил у махають польоті. З'ясувати природу цих силнамагалися ще перші дослідники польоту комах. Німецький дослідник
Е. Хольст в 1943 році першим експериментально довів, що панувалираніше уявлення про політ комах як про грібному не відповідаютьпринципом роботи махають крила. На зміну спрощеним і неточнимуявленням про відкиданні повітря прийшов так званийквазістаціонарних підхід, при якому аеродинамічні процеси зводилися дотеорії стаціонарних станів, що піддаються розрахунку методами класичноїаеродинаміки. Дослідження польоту сарани в Лондонському протівосаранчовомцентрі (The Antilocust Research Centre), в 1956 році показало високузбіг розрахункових даних з реальному вимірі середніми значеннямиаеродинамічних сил. Незважаючи на Загальновизнання квазістаціонарнихпідходу, нікому більше не вдавалося досягти відповідності розрахунковихзначень сил реальним, що змушує припускати наявність додатковихаеродинамічних сил. Крім того, багато авторів відзначають нестаціонарнийхарактер створюваних в польоті сил і незвичайна поведінка повітряних струменів залетять комах.
Фізичні основи польоту.
Локомоція в суцільних середовищах (повітрі та воді) настільки відрізняється відпересування на межі розділу середовищ, що заслуговує на особливу увагуприрода сил, які роблять такий рух можливим. Суцільна середу представляєсобою континуум, в якому не на що спертися, не від чого відштовхнутися. Ув'язкої рідини, якою є вода і повітря, можливі два основніформи руху: Ламінарна, або шарувату, коли лінії струму паралельні одинодному, і турбулентний, при якому відбувається перемішування рідини. Утурбулентних течіях швидкість і тиск у кожній точці просторунепостійні і характеризуються нерегулярними високочастотними пульсаціями.
Усяке тіло, що рухається в суцільному середовищі, відчуває на своїйповерхні нормальні і дотичні напруження. Їх результуючаявляє собою силу повного опору середовища руху тіла, причомувектор сили повного опору далеко не завжди збігається з напрямкомруху. Проекція повного опору тіла на вісь х у швидкісній системікоординат (вісь х спрямована вздовж швидкості руху, вісь z перпендикулярнадо неї в горизонтальній площині, а ось у - у вертикальній) є лобовеопір, проекція ж на ось у разі позитивного у є підйомнасила, при негативному - в залежності від того, де відбувається рух,або топлячи (у воді), або негативна підйомна сила (в повітрі).
Лобове опір складається з опору тертя і опорутиску чи опору форми (різниці тиску попереду і позаду тіла).
Кількісно лобове опір і підйомна сила виражаються формулами:
де S - деяка характерна площа тіла, V - швидкість руху,? --щільність середовища, сх і су - безрозмірні коефіцієнти відповіднолобового опору і підйомної сили. Вони залежать від форми рухаєтьсятіла, його орієнтації в просторі, але, перш за все від співвідношення силінерції (вони виявляються в тиску на поверхню тіла) і тертя, яківизначаються в'язкістю. Співвідношення цих сил дає безрозмірний комплекс,чисельне значення якого повинно бути однаковим у подібних течій.
Іншими словами, мова йде про масштабне критерії, який дає можливістьпорівнювати рух різних об'єктів, що мають різні характеристики. Цейкомплекс отримав назву числа Рейнольдса (Re):
де l - характерний розмір,? - В'язкість середовища,? - Щільність середовища.
Діапазон Re біологічних об'єктів досить великий [1] - від 10-6
(бактерії) до 107 (великі китоподібні). Цей ряд починають дрібніорганізми, рух яких цілком залежить від в'язкості, і закінчуютьвеликі плаваючі, на рух яких впливають в основному силиінерцією. Варто інфузорії перестати рухати віями, як вона тут жезупиняється. Рибі таки досить один раз вдарити хвостовим плавником,щоб порівняно довго ковзати вперед. Коли таке дрібна комаха,як трипс, перестає рухати крилами, вона зупиняється, птиця ж прицьому продовжує за інерцією рухатися вперед.
У міру збільшення ролі інерційних сил із зростанням Re в русітварини все більшого значення набуває підйомна сила. При Re = 103підйомна сила в три рази і більше перевищує лобове опір. Так, длякрила мухи - калліфори ставлення підйомної сили до лобового опоруодно 3:1, а у більш великих комах воно ще більше. Там, де силиінерції переважають над силами тертя, рух тварин засновано головнимчином на використанні підйомної сили.
Будова Крилової апарату.
локомоторним центром комахи є груди. Два її сегмента --середньо - і задньогрудей, які забезпечені крилами - об'єднують під загальноюназвою "птероторакс". У Криловим м'язах грудей здійснюється перехіденергії з хімічної форми в механічну. Таким чином, птеротораксможна порівняти з двигуном літального апарата. Зусилля скорочення м'язівпередається на крила через скелет і систему дрібних пластинок в корені крила.
Крила здійснюють помахи і генерують аеродинамічні сили.
Крило комахи є сплощені виріст стінки грудноговідділу, покритого двома шарами кутикули, міцно з'єднаними один з одним.
Дорсальна поверхню крила поступово переходить у спинний відділ скелету,вентральна - в бокову стінку сегмента. В області зчленування знаходятьсяущільнені ділянки скелета - склеріти, їх взаємне розташування міжкраєм спинки і крилом характеризується суворої впорядкованістю, тут жезосереджений ряд суглобів [2,3].
Крила комах на відміну від крил літаючих хребетних тваринпозбавлені власної мускулатури і приводяться в рух скороченнями м'язівгрудей. (рис.1). Морфункціональную зв'язок між м'язами і криламиздійснюють скелет птероторакса і Крилова зчленування. Зусилля відскорочення м'язів передається спершу на спинну область сегмента - тергум, апотім на підставу крил. Крило комахи є важільроду першого і для того, щоб підняти чи опустити його, зовсімнеобов'язково прикладати зусилля до довгого плеча - пластині крила.
Достатньо на невеликий кут опустити або підняти коротке плече, натиснувшина нього краєм спинки (рис. 1). Остання ущільнюється або вигинається піддією м'язів, званих м'язами непрямого действія.От цій схеми різковідрізняється робота літального апарату у бабок. У них Криловим м'язиприкріплюються безпосередньо до підстав крил (рис. 1). Такі м'язи,звані Криловим м'язами прямої дії, при скороченні тягнуть крилаза підстави вниз, опускаючи їх на деякий кут. У всіх інших комахм'язи - опускателі відносяться до Крилова м'язам непрямої дії, такяк прикріплюються не до підставах крил, а до двох складках спинки спередуі ззаду від крила. Коли такі м'язи скорочуються, спинка аркообразновигинається, піднімаючи підстави крил, внаслідок чого їх лопатіопускаються. М'язи - поднімателі опускають спинку, а з нею і підставикрил, що призводить до руху крил вгору. У бабок м'язи --поднімателі опускають спинку, а з нею і підстави крил, що призводить доруху крил вгору. У бабок м'язи - поднімателі прикріплюютьсяблизько один до одного на спинці, а сама спинка маленька і не грає великоїролі в рух крил, проте Криловим м'язи прямої дії розвинені уних сильніше, ніж у інших комах. Така система руху крилнездатна забезпечити їх швидкі помахи, але володіє тим перевагою, щокожне із чотирьох крил працює незалежно. Це дозволяє бабкамиздійснювати в повітрі різні складні маневри. Всі інші комахи (мухи,перетинчастокрилі, клопи) мало поступаються бабками в маневреності, якадосягається помахами крил правої і лівої сторін з часом дуже високоючастотою. Крім того, більшість комах мають здатність змінюватинахил площини помаху по відношенню до поздовжньої осі тіла.
Підходи нестаціонарної аеродинаміки.
Розглянемо природу сил, що створюються за помаху крила комахи.
Крило, що робить коливальні рухи, то прискорюється, то гальмується, вкрайніх точках помаху воно відчуває обертання навколо своєї поздовжньої осі.
Такий рух нестаціонарної, і для його опису непридатні методи,розроблені в класичній аеродинаміці для крила або для пропелера. Тимне менше, існують підходи, мета яких полягає в наближеннііснуючих класичних методів до складної картині руху крилкомах при помахах. Два з них найбільш популярні. При описі махаютьпольоту на базі квазістаціонарних підходу, припускають, що крило комахи
- Тонка пластинка, обтічна потоком з постійною швидкістю (силовікоефіцієнти постійні за розмахом і за часом), а аеродинамічнийвзаємодія між правим і лівим крилами відсутній.
У центрі сучасної теорії крила знаходиться постулат Чаплигіна -
Жуковського: задня кромка крила є лінією, по якій стікає потік зверхньої та нижньої поверхонь крила. Як тільки крило починає рухатися
(рис. 2, а, 1), на його задній кромці утворюється вихор (рис. 2, а, 2). Цейвихор швидко росте до тих пір, поки не припиниться рух рідининавколо задньої кромки крила, тобто поки вона не стане лінією сходження потокуз верхньої та нижньої поверхонь (рис2, а, 3). Як тільки це відбудеться,вихор відривається і несеться з потоком. Відрив розгінного вихору індукуєциркуляцію певної величини навколо крила, яку можна представититак званим приєднаним вихором (рис. 2, а, 2). Напрям йогообертання протилежна такому розгінного вихору. Накладення набігаючогопотоку на циркуляцію навколо крила створює знайоме з класичноїаеродинаміки розподіл тиск з аеродинамічного профілю (рис. 2,б), у зв'язку з чим величина підйомної сили, що припадає на одиницю розмахукрила, визначається з теореми Жуковського
де Г-циркуляція потоку навколо профілю. Залежність коефіцієнтівпідйомної сили та лобового опору від кута атаки виражаєтьсяза допомогою поляри Лілієнталя, яку можна представити як криву,описувану вектором повної аеродинамічній сили R при зміні кутаатаки (рис. 2, в). У свою чергу, повна аеродинамічна силарозкладається на вертикальний (підйомна сила Y) і горизонтальнийкомпонент (опір крила Q).
Відповідно до цього підходу обтікання крила, що здійснює помахи,розглядається як послідовність окремих стаціонарних ситуацій,коли змінами кута атаки і швидкості набігаючого потоку можназнехтувати. Моментів, що задовольняють квазістаціонарних підходу, у цикліпомаху два: один із моментів припадає на більшу частину низхідній гілцітраєкторії, другий на нижню третину висхідною (рис. 2, г). При русівниз крило створює підйомну силу і тягу, при Махе вгору - потяг інегативну підйомну силу. Чи створює крило які - або сили в іншіфази помаху, невідомо, тому що процеси, що відбуваються у верхній і нижнійточках траєкторії, не піддаються опису з позиції квазістаціонарнихпідходу.
Можна глянути на проблему створення аеродинамічних сил махаютькрилом і з іншого боку. В результаті взаємодії рухомих крил зпотоком повітря останній прискорюється і відкидається вниз і назад. Імпульссили, що отримується комах, спрямований вперед і вгору. Оцінка створюванихсил з імпульсу потоку повітря, відкидаємо махають крилами, широкозастосовується при вивченні особливого режиму махають польоту, коли комахаяк би висить на одному місці. Подібно до того, як поступальний політнамагаються зрозуміти, застосовуючи теорію крила літака, так для завислопольоту намагаються застосувати теорію пропелера. Всі теорії пропелеразводяться, кінець кінцем, до того, як утворюється і відкидається струміньповітря. Згідно з даним підходом параметри взаємодії крилз потоком не беруться до уваги і розглядаються як чорний ящик, навихід якого є потік, прискорений працюють крилами.
Аеродинамічні сили генеруються завдяки тому, що над махаютькрилами створюється зона зниженого тиску, а під ними - зона підвищеноготиску. Імпульс сили, що отримується комах, дорівнює за величиною іпротилежний за напрямком момент сил, переданому махають криламинавколишньому середовищу. Як наслідок взаємодії махають крил з повітрямза що летять комах залишається аеродинамічний слід, структура якогомістить інформацію про природу сил, що створюються в махають польоті.
Як утворюються вихрові кільця.
Розглянемо роботу махають крила з позиції принципів, закладених вобох підходах. Як тільки крило починає рухатися, у його задньої кромкиутворюється розгінний вихор. Цей вихор через кінцеві вихори замикається зциркуляційним потоком навколо крила, утворюючи кільце (рис. 3, а). Прираптової зупинки рушійного крила шар пріторможенного повітря, найбільшблизький до поверхні профілю (прикордонний шар), верхній дужки профілю,що рухається швидше, ніж на нижній дужці, обтікаючи задню крайку,згортається у вихор, який має протилежне в порівнянні зрозгінним напрямок обертання і таку ж по величині інтенсивність; вінназивається гальмівним вихором. Таким чином, рушійне крило несе вихровийкільце, що вивільняється при його зупинці.
Якщо тепер уявити, що крило робить коливання в площині,перпендикулярної до набігаючого потоку, то по черзі відокремлюються від криларозгінні і гальмові вихори утворюють ланцюжок зчеплених один з однимвихрових кілець (рис. 3, б). Кільце, що утворилася при Махе вниз, будемати імпульсом, спрямованим донизу і назад, і в той же час крило з-заперепаду тиску на його верхній і нижній поверхнях розвине піднімальнусилу і тягу і негативну підйомну силу, а кільце, що утворилося в цейчас, буде мати імпульсом, спрямованим вгору і назад. Отже,в збурення, яке є в повітрі махають крила, або, інакше ваеродинамічному слід, який вони залишають, як би в зашифрованою форміміститься інформація про характер взаємодії крил з повітрянимипотоками. Структура сліду - свого роду ключ до розуміння природи сил,створюваних махають крилами.
Еволюція аеродинаміки польоту комах.
Робота крила реального комахи відрізняється від розглянутої схемитим, що тільки вершина крила робить коливання щодо нерухомогопідстави. Крім того, саме крило у верхній і нижній точках помахувипробовує обертальні коливання щодо своєї довгої осі. Тим неменше, коли вдалося нарешті візуалізувати слід (тобто зробити йоговидимим) летить комахи [2], то виявилося, що його форма майжеідентична формою сліду, який утворюється за крилом, які здійснюють коливанняу площині, перпендикулярної до набігаючого потоку (рис. 3, б) впершетривимірну картину аеродинамічного сліду за що летять комах середніхрозмірів з відносно невисокою частотою Криловим помахів (30 Гц) - дляметелика - толстоголовкі (рис. 4). Яка ж вона? Перш за все, слідявляє собою систему попереме?? але нахилених до осі вихрових кілець.
Через отвори кілець проходить товста хвилеподібно згинаються струміньповітря. Якщо вертикальної поздовжньої площиною розсікти такий слід, тоотримаємо його плоске зображення (рис. 3, б), так звану вихрові доріжку
- Навколо центрального струменя в шаховому порядку розташовуються вихори,обертаються назустріч один одному. Зміна параметрів помаху крил,таких як амплітуда коливання, частота, нахил площини помаху допоздовжньої осі комахи та напрямку польоту, супроводжується закономірнимзміною форми аеродинамічного сліду [4].
Якщо судити по порівняльній простоті освіти і поширеностісеред багатьох примітивних комах, то найбільш примітивною і, можливо,вихідною формою сліду можна вважати ту, яка властива крила,що коливаються в площині, перпендикулярної до набігаючого потоку (рис. 3,б). У цьому випадку за тілом утворюється ланцюжок з зчеплених вихрових кілець,рівнодіюча імпульсів яких визначає створення аеродинамічнійсили, спрямованої строго вперед (мал. 5, а). Остання обставиназмушує багатьох примітивних комах літати з великим кутом піднесення,як би підводячи тіла над горизонталлю і тим самим, направляючи вихровідоріжку під кутом до горизонту для того, щоб створити підйомну силу.
Освіта сил в даному випадку, як при Махе вниз, так і при Махе вгору,слід трактувати з позиції квазістаціонарних дії крила [4].
Наступний крок в еволюції польоту полягав у тому, що при Махе вниз,здійснюваний з великими значеннями кута атаки, ніж при Махе вгору, криластали продукувати вихрові кільця більшої інтенсивності і, отже,меншого розміру. Кільце, що зійшло з крил наприкінці маха вниз, маєменший діаметр, внаслідок чого вісь сліду відхиляється вниз, арівнодіюча імпульсів кілець спрямована під кутом вгору (рис. 5, б).
Утворюються за крилами вихорову доріжка отримала назву косою, а природасил, що створюються за помаху крил, в принципі така ж, що і впопередньому випадку.
У деяких комах в польоті за крилами утворюється вихровий слід,форма якого аналогічна тій, яка характерна для найбільш примітивнихкомах (рис. 5, в). Є, проте, істотна відмінність. Дослідженняпоказали, що кільце малого діаметру, що утворилася при Махе вниз, підчас підйому крил розширюється. Як і в попередньому випадку (рис. 5, б), вданому випадку мах вниз активніше, ніж вгору, але через те, що кільцемалого діаметру при підйомі крил розширюється, слід приймає вигляд прямоївихровий доріжки. Розширюється кільце додає прискорення струмені повітря,спрямованої косо вниз, що, за припущенням компенсує негативнупідйомну силу, створювану при Махе вгору. У підсумку розподіл сил уциклі помаху виглядає наступним чином: підйомна сила створюється при Махевниз, а тяга - протягом усього циклу помаху. Отже, генерацію силпри Махе вгору можна пояснити з позицій нестаціонарного дії крила.
Більш того, при розвороті крил у верхній точці помаху вони відштовхуютьНайближчим до тіла кільце, а разом з ним і весь ланцюжок тому, в результатічого комаха отримує невеликий поштовх уперед. Отже, освітасил у верхній точці помаху можна пояснити дією механізму, близького дореактивному.
Роль останнього зростає у ширококрилі метеликів, які в польотівідкидають дискретні вихрові кільця. У цих комах у міру збільшенняшвидкості політ ланцюжок вихрових кілець спочатку розмикається у верхній точціпомаху (рис. 5, г), що досягається енергійним бавовною крил над спинкою,а потім і в нижній точці. У результаті при найбільш швидкісному міграційнийпольоті, а також при зльоті крила метелика відкидають дискретні вихровікільця: при бавовні крил у верхній точці кільце відкидається назадметелик отримує поштовх уперед; в нижній точці помаху метелик плескаєкрилами і відкидає кільце вниз, отримуючи внаслідок цього поштовх вгору.
І нарешті, у комах з високою частотою помаху крил відкиданнядрібних дискретних кілець стає основним способом створення кориснихаеродинамічних сил.
Висновок.
Таким чином, пояснення природи сил, що створюються махають крилами,не можна звести виключно до квазістаціонарних дії крила. У багатьохкомах при помаху вгору, коли раніше утворилося кільце розширюється іприскорює струмінь повітря тому, виникає короткочасний імпульс сили,походження якого слід віднести на рахунок нестаціонарного діїкрила. Значення механізму, аналогічного реактивному, коли комахавідкидає назад вихрові кільця, різко посилюється в міру того, якбезперервна ланцюжок кілець розривається. Суттєву роль у цьому відіграютьособливі руху крил, зокрема їх бавовна у верхній або нижній точціпомаху. Німецький дослідник В. Нахтігаль розглянув кілька особливихрухів крил, які можуть мати значення з точки зору створенняаеродинамічних сил способом, відмінним від квазістаціонарних. Ці рухикрил породжують різні, ще недостатньо вивчені нестаціонарніефекти, роль яких у польоті, без сумніву, зростає в міру того, якспостерігається зростання частоти помаху крил.
Література.
1. Шмідт - Ніельсон К. Розміри тварин: Чому вони так важливі? М.:
Світ, 1987. 260с.
2. Бродський А.К. Механіка польоту комах і еволюція їх Крилової апарату. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 207 с.
3. Захваткін Ю.А. Курс загальної ентомології. М.: Агропромиздат, 1986. 320 с.
4. Brodsky A.K. The Evolution of Insect Flight. Oxford: Oxford Univ
Press, 1994. 229 p.
5. Бродський А.К., Львівський А.Л. Павуки, комахи. Л.: Ленінздат,
1990. 140 с.
-----------------------< br>
