Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Абсолютные скорости полета насекомых зависят от длительности полета, температуры воздуха, скорости и направления ветра и ряда других параметров. Но при всех благоприятных условиях абсолютная скорость насекомых, за исключением таких, как бабочки бражники, стрекоза дозорщик, все же очень мала, в десятки раз меньше, чем у современных самолетов. Сравним скорости самолета со скоростями птиц и насекомых. Если скорость самолета равна 900 км/час, то для стрижа она равна 100, для скворца 70, для вороны 50 и для шмеля 18 км/час. Зато не может не вызвать самого большого восхищения относительная скорость полета насекомых. Если сравнить относительные скорости для тех же примеров, т. е. подсчитать, сколько раз за единицу времени данный летун успеет отложить длину своего тела в полете, то оказывается, что относительная скорость больше всего у насекомого и меньше всего у самолета!

Большинство насекомых (даже хорошо летающих), видимо, ограничивается небольшими перелетами. Так, медоносная пчела летает за нектаром на расстояние (в среднем) 1,5 — 2,25 км. Но для того, чтобы собрать 400 г меда, она должна, по расчетам пчеловодов, совершить от 40 до 80 тысяч полетов, т. е. в общей сложности должна пролететь расстояние, равное двум окружностям Земли! Известно немало случаев "беспосадочного перелета" насекомых из одной местности в другую, находящуюся на большом расстоянии от первой. В Японии, например, часто наблюдается перелет стрекоз между островами, удаленными друг от друга на 50 — 60 км. Известны перелеты лугового мотылька из Кокчетава в Актюбинск и другие пункты на расстояния 400 — 450 км. Зарегистрированы случаи перелетов роев саранчи через Красное море, где промежуточные посадки исключены. В научной литературе имеются указания на то, что австралийских стрекоз ловили в открыто океане на расстоянии 1540 км от их родного материка. Многие бабочки (среди них наши адмиралы) проделывают путь в Африку, а следующее поколение возвращается обратно в Европу. Одной из рекордсменок по дальности полетов является американская крупная бабочка данаис — она перелетает из Мексики в Канаду и Аляску, покрывая, таким образом, расстояние до 4000 км.

Разумеется, при таких перелетах нельзя не учитывать воздушных течений. Но как бы то ни было, собранные учеными данные убедительно говорят о том, что маленькие, нежные на вид существа — насекомые (речь идет о насекомых отдельных видов) способны находиться в воздухе в течение многих часов и' преодолевать гигантские расстояния. Этим они, безусловно, обязаны совершенству своего летательного аппарата и главным образом высокой экономичности работы своего "мотора". По экономичности полета многие насекомые превзошли даже птиц. Так, саранча в полете теряет примерно 0,8% своего веса за час полета. "Горючим" для ее мышечного двигателя служат жировые запасы. У тех насекомых, которые расходуют в полете углеводы, потери веса больше: например, плодовая мушка дрозофила теряет за час полета 7 — 10% своего веса. Интересный расчет экономичности полета пчелы произвел кандидат биологических наук Ю. М. Залесский. Вес пчелы с грузом нектара и пыльцы равен примерно 0,2 г, вес мышц, приводящих в движение крылья, составляет меньше 15 % веса насекомого. Если пчела пролетает от места сбора нектара и пыльцы до улья 3 км, то совершенная ею работа исчисляется в 0,6 кгм. Известно, что 1 кгм работы соответствует 0,0024 ккал. Следовательно, произведенная пчелой работа (0,6 кгм) эквивалентна 0,00144 кал. Сгорая в организме при совершении работы, 1 г сахара дает 4,1 кал. Поэтому пчела, пролетая расстояние в 3 км, расходует только 0,00035 г сахара. В зобе пчелы помещается 0,02 г нектара с концентрацией в нем сахара, равной 20%; иными словами, в зобе находится 0,004 г чистого сахара. Следовательно, даже при расстоянии 3 км полет пчелы вполне рентабелен, так как расход "горючего" — сахара — не превосходит 9 % полезного груза!

Теперь сопоставим приведенные данные с соответствующими данными для летательных аппаратов, созданных человеком. Вертолет расходует за час полета 4 — 5% веса (разумеется, речь идет о топливе), а реактивный самолет — 12%. Как видно, инженерам стоит поучиться искусству экономии горючего в полете у саранчи, да и у пчелы тоже.

Высокая экономичность полета насекомых в значительной степени обусловлена режимом работы их крыльев. Так, скорость взмаха, т. е. скорость, с которой движется конец крыла по отношению к телу насекомого, довольно велика. По Маньяну, у стрекозы она равна (для заднего крыла) 2,75, у пчелы — 5,5 и у каллифоры — 8,4 м/сек. Теперь остановимся на ритме ударов крыла. Полет начинается с редких взмахов, свободно улавливаемых глазом, затем взмахи крыльев становятся значительно чаще и полет сопровождается гудением и жужжанием. Несомненно, что частота последовательных сокращений мышц крыла у насекомых значительно больше, чем у позвоночных. Для сравнения укажем, что черный гриф, у которого размах крыльев превышает длину тела почти в 3 раза, делает в течение секунды всего один взмах; фазаны, куропатки, перепела, рябчики, стремительно перелетающие по прямой, в основном на короткие расстояния, делают в секунду до 5 взмахов крыльями. В отличие от птиц, у хорошо летающих видов насекомых с небольшими крыльями частота взмахов очень высока. Оказывается, что сила, необходимая для удержания в воздухе разных насекомых одинакового веса при помощи взмахов крыльями, обратно пропорциональна частоте взмахов. Насекомое, делающее 55 взмахов в секунду, расходует вдвое больше мощности, чем насекомое того же веса, но делающее ПО взмахов в секунду. Исследования показали также, что при одинаковых условиях вес поднимаемого груза зависит от частоты взмахов крыльями. В этом отношении весьма показателен полет медоносной пчелы. Установлено, что рабочая пчела, вылетающая из улья за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в секунду. Когда же она возвращается с грузом, число взмахов возрастает до 280 — 330. Очевидно, наделяя медоносную пчелу способностью делать очень частые взмахи крыльями, природа имела в виду дать ей возможность нести, помимо веса своего тела, добавочный груз — взяток (нектар, пыльца). Расчеты показывают, что если бы пчела делала не 280 — 330 взмахов в секунду, а 560 — 660, т. е. вдвое больше, то она могла бы переносить по воздуху груз весом в 16 таких же пчел, как и она сама!

Рис. 20. График роста скоростей пассажирских и транспортных самолетов за последние 20 лет (по В. Мясищеву)

Весьма поучительно проведенное учеными сравнение летных характеристик насекомых и летательных аппаратов, построенных человеком. Оказывается, природа испокон веков великолепно "знала" формулу, которую не так давно вывели математики. Эта формула — очень простое соотношение, которое называют числом Рейнольдса [3] Число Реинольдса Re равно lV / v , где l — размах крыльев, V — скорость полета, a v — кинематический коэффициент вязкости среды (если скорость при обтекании тела в воздухе значительно меньше скорости звука, то сжимаемостью воздуха можно пренебречь и, следовательно, допустимо рассматривать его как жидкость). Число Рейнольдса — безразмерная величина. При числах Рейнольдса, меньших 2200, в цилиндрической трубе обычно имеет место ламинарное течение, при больших его значениях наступает турбулентное течение. . В числителе — произведение размаха крыльев тела на скорость его Движения, в знаменателе — кинематический коэффициент вязкости воздуха v. Так вот, это самое число Рейнольдса — одна из самых важных летных характеристик. Чем больше число Рейнольдса, тем интенсивнее бесчисленные воздушные водовороты, завихрения около крыла самолета, и он тормозится. У современных пассажирских лайнеров число Рейинольдса громадно — порядка миллионов, тогда как для саранчи оно примерно равно 2000!