О чем говорит темная точка на передней кромке крыла
О чем говорит темная точка на передней кромке крыла
Всем известная старинная и успевшая стать классической басня о Стрекозе и Муравье тоже будет здесь рассмотрена. Но очередь до неё дойдёт позже. Сейчас с действующими лицами той же басни придётся встретиться по другому поводу, в связи с новой, недавней историей. Значение её может, однако, остаться недооценённым, если не напомнить, что она имеет отношение к флаттеру.
Это повествование хочется начать с напоминания об одном мечтателе, жившем на окраине глухого провинциального городка царской России. Ночи напролёт просиживал он за столом при свете керосиновой лампы, выводя математические формулы полёта к звёздам. Может быть, только в наши дни, когда с земли Советов поднялись, выходя на свои орбиты, первые искусственные спутники и первые космонавты, мир по-настоящему оценил всё величие давнего подвига.
Как же не сказать здесь, что, пытаясь мысленно заглянуть в будущее, учёный, прокладывавший в своих инженерных расчётах путь межпланетных кораблей, предвидел, что, даже отрывая ракеты от Земли и отправляя их в космос, человек не удовлетворится, не остановится, будет дальше совершенствовать летательные аппараты, будет искать не только новые пути ко все более высоким целям, но и новые, более простые средства полёта.
Размышляя об этих средствах, К. Э. Циолковский обращал свой взор прежде всего к природным летательным аппаратам, к насекомым, летающим посредством одной пары крыльев, и приходил к выводу, что если аэропланы когда-нибудь заменятся орнитоптерами, то разумное устройство их потребует от нас ещё более тщательного изучения полета птиц и насекомых.
Первым разобравшись в том, почему крылья продолговаты, и начисто разбив доводы учёных, считавших, что «гусь в полете должен расходовать лошадиную энергию», создатель науки о ракетоплавании заметил, что рождение ракет для космических полетов нисколько не помешает появлению орнитоптеров — птицелетов и энтомоптеров — насекомопланов.
Отец русской авиации Николай Егорович Жуковский в своих работах развил мысли об устройстве летательного аппарата птиц и насекомых и способах их полета, объяснил планирование птицы и всякого аппарата тяжелее воздуха.
В последние годы крылья живых существ внимательно изучаются во всем мире. Подвинулось и исследование полета насекомых. Оказалось, здесь имеют значение жилки крыльев: от того, как они размещены, зависит механика крыла.
Но тогда пришлось спросить: почему, каким образом?
Естествоиспытатель, который ставит перед собой подобные вопросы, совершает первый шаг к открытию. Пришло время, и такие шаги были сделаны первоначально инженером В. А. Слесаревым, затем биологом Ю. М. Залесским и рядом других исследователей, посвятивших себя разгадке тайны летящего насекомого. Испытывая природу и учась у нее, стали они закладывать камни в основание новых мостов, ведущих в будущее.
Друзья знаменитого художника Архипа Ивановича Куинджи в своих воспоминаниях, относящихся к концу прошлого века, приводят историю бабочки, которая случайно залетела в мастерскую живописца и осенним утром примерзла к стеклу. Пробуя освободиться, она так сильно обтрепала крыло, что не могла больше летать. А. И. Куинджи принялся спасать насекомое. Из собственных волос смастерил он каркас крыла, а между волосами вклеил вырезанные из тонкой бумаги заплатки, которые мастерски раскрасил, скопировав рисунок с другого крыла.
И вот бабочка вновь полетела, и художник был очень рад этому: он не ставил перед собой иной задачи — он хотел только вернуть бабочке возможность летать…
Прошло примерно полвека, и другой русский художник — Владимир Евграфович Татлин, известный не только картинами, но и нашумевшим когда-то проектом грандиозной башни Интернационала, выставил на всеобщее обозрение модель летательного прибора — конструкцию под названием «Летатлин». Свыше десяти лет работал художник над построенным без единого расчета и собранным из ясеня, лозы, пробки, липы, сыромятных ремней, китового уса, шелка, дюраля 36-килограммовым орнитоптером.
Художники подражали природе. Ученые исследуют её в разных планах, ищут её законы. При этом они на каждом шагу обнаруживают, что птицы и насекомые чрезвычайно искусные летуны, а летательные аппараты их много экономичнее тех, которые построены человеком. Насекомые, например, не меняя положения тела, с помощью одних крыльев с необычайной легкостью совершают в воздухе такие маневры, которые недоступны самым лучшим самолетам. Иная крохотная мушка, без лупы её и не рассмотреть, за всю жизнь выпьет, может быть, только несколько капель нектара, а как летает!
Что дает ей эту возможность?
Ю. М. Залесский искал ответ на этот вопрос, выясняя роль, которую играют в полете отдельные участки крыла.
Он педантично изучал множество различных и по-разному летающих насекомых — мух, комаров, сетчатокрылых, кобылок, кузнечиков, различных жуков. Хирургическими ножницами отрезал он отдельные части крыльев, а затем предоставлял оперированным насекомым свободу и следил, как они летят, что изменилось в полете.
У стрекоз разных видов на всех четырех крыльях аккуратно удалялась птеростигма — так исследователи насекомых называют глазок, темное хитинистое утолщение у переднего края вершины крыла.
Глазок-птеростигма есть и на крыльях насекомых некоторых муравьёв (о том, что это за крылатые муравьи, речь пойдет дальше), но её значение здесь пока специально не исследовалось. Что касается стрекозы, этот вопрос изучен Ю. М. Залесским. После удаления птеростигмы насекомое менее равномерно взмахивает крыльями, полет его становится как бы порхающим.
Птеростигма регулирует взмахи крыла и имеет механическое значение.
Когда об этом узнал крупнейший наш специалист в области аэродинамики М. К. Тихонравов, он сразу вспомнил о флаттере.
Пора сказать, что так названы те вредные колебания крыла, которые иногда могут разрушить крылья летательных аппаратов.
Известный лётчик-испытатель Марк Галлай, вспоминая о первой своей встрече с этим неожиданно и неизвестно откуда возникающим, но вполне реальным воздушным чудовищем, рассказывал, что однажды будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по его самолету. Всё затряслось так, что приборы на доске стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Казалось, крылья полощутся, как вымпел на ветру. Летчика швыряло по кабине из стороны в сторону. Штурвал, будто превратившийся в какое-то совершенно самостоятельное живое и притом обладающее предельно строптивым характером существо, вырвался из рук и метался по кабине так, что все попытки поймать его ни к чему, кроме увесистых ударов по кистям и пальцам, не приводили. Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклепок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум.
Вот он, флаттер!
Немало замечательных конструкций разрушено этим бичом скоростных полетов, немало пилотов-испытателей погибло, не в силах совладать с ним и разбившись вместе с поднятой в воздух конструкцией.
Теперь всё это в прошлом. Выдающийся советский математик, ныне президент Академии наук СССР, академик М. В. Келдыш разработал специальную теорию возникновения внезапных колебаний крыла и оперения самолета под действием аэродинамических сил. На основе этой теории были найдены способы устранения флаттера. Коварное препятствие на пути создания новых самолетов удалось устранить, утяжеляя у конца крыльев переднюю кромку. Там, где имеется такое утяжеление, вредные колебания не возникают.
Но ведь птеростигма — это и есть утолщение передней кромки конца крыльев!
Получается, что биологи, исследуя полет насекомых, обнаружили на крыльях стрекозы в птеростигме прообраз того самого приспособления, которым авиационные конструкторы после долгих и дорогостоящих поисков оснастили крылья скоростных самолетов. И прообраз этого усовершенствования, оказалось, существует на крыльях многих насекомых миллионы лет.
Предки современных стрекоз, известные по отпечаткам в отложениях пермского периода, также имели на своих крыльях птеростигмы.
Именно в связи с раскрытием назначения птеростигмы на крыльях стрекозы М. К. Тихонравов говорил, что природа иногда указывает, как самые сложные задачи решаются с поразительной простотой.
В 1972 году в известном всему научному миру «Журнале сравнительной физиологии» была напечатана обстоятельная статья шведского исследователя Норберга Эке. В ней говорилось о том, как в природе с удивительной простотой, о какой писал М. К. Тихонравов, решаются самые сложные задачи.
«Птеростигма имеет большую массу, чем окружающие участки крыла той же площади», — подчеркнул в статье Эке. «У разных насекомых, в первую очередь у стрекоз, — рассказывает учёный, — определяли положение оси вращения крыла и положение центра тяжести в последовательных отрезках крыла. Всюду, во всех отрезках ось вращения обнаруживалась впереди центра тяжести. Всюду, за исключением одного отрезка — отрезка со стигмой, где центр тяжести находился перед осью вращения»[4].
Специалистами давно установлено, что при активном полете критические скорости ниже, чем при планировании, по причине очень опасной тенденции к пикированию крыла и именно птеростигма предотвращает возникновение этой опасности.
Когда на примере стрекоз подсчитали, насколько может быть повышена критическая скорость полета при птеростигме и насколько птеростигма отодвигает угрозу флаттера, оказалось: вес птеростигмы не превышает одной тысячной веса тела насекомого, а критическая скорость полета может в иных случаях возрастать на 25 процентов!
Дальнейшие исследования энтомологов Гетеборгского университета показали, что для мелких насекомых птеростигма делает крыловой взмах более эффективным при медленном или парящем полете, тогда как у крупных насекомых большее значение имеет повышение уровня критической скорости полета.
Птеростигма есть обычно на крыльях у стрекоз, сетчатокрылых, в том числе у муравьиного льва, с личинкой которого нам предстоит познакомиться, у сеноедов, клопов, наконец, у перепончатокрылых, в том числе и у муравьёв. Некоторые насекомые, имеющие птеростигму, способны при полете активно контролировать угол пикирования, но это не уменьшает значения птеростигмы: она своё назначение выполняет — срабатывает, не расходуя энергии.
Разве эта история не достойна стать сюжетом новой басни? Мораль здесь говорила бы человеку: «Учись у природы, набирайся у нее ума, чтоб уметь все делать лучше, чем сама природа!»
Опыт с увеличенными в десять-пятнадцать раз по сравнению с естественными и изготовленными из бумаги и целлофана моделями машущих крыльев насекомых, испытания их в жидкой среде помогли разобраться, что может создавать у них силу тяги и подъемную силу.
Произведенная Ю. М. Залесским сверхскоростная съемка показала, что крыло бабочек, например, совершает в полете не простое машущее движение, но ещё и волнообразно изгибается при этом.
Другие насекомые летают иначе. Крылья двукрылых (мух, комаров) или перепончатокрылых (пчел, ос, муравьёв) в полете все время меняют угол атаки и заносятся то вперед, то назад, так что вершина крыла непрерывно описывает восьмеркообразную кривую.
Когда группа советских инженеров пристроила к лопастям ветряного двигателя дополнительные подвижные крыловидные лопасти, которые также производили восьмеркообразные движения, то ветряк заметно выиграл в мощности и стал исправно и производительно работать даже при самом слабом ветре.
Изучение крыла и летных способностей насекомых открывает бесконечные возможности создавать разнообразные оригинальные устройства для стоячего полета, парения, планирования, подъема, приземления.
В мире насекомых обнаружено в то же время множество удивительно точно решенных задач не только из области аэродинамики, но и из многих других областей прикладной физики.
Те, кто занимается оптикой, находят у насекомых неожиданные приспособления для различения частей спектра, разных состояний света, цвета, яркости, формы, позиций, расстояний…
Звучащие и воспринимающие звук устройства насекомых давно привлекают внимание конструкторов, работающих над совершенствованием разных средств беспроволочной воздушной и подводной связи…
Стилеты жалоносных, буравы древоточцев, особенно яйцеклады рогохвостов — все эти гибкие и тонкие самозаглубляющиеся иглы, которыми многие наездники с загадочной быстротой пронзают древесину, давно привлекают внимание бурильщиков.
Точно так же и химический состав и физические свойства паутины пауков и шелковой нити завивающихся в кокон личинок сотен видов насекомых ждут анализа, обещающего сказать много интересного и поучительного текстильщикам, специалистам по органической химии, изобретателям новых пластмасс.
Особого внимания заслуживают антенны — усики насекомых. Обонятельная чувствительность этих органов превосходит всякое воображение.
Знаменитый исследователь насекомых Фабр показал, что самцы грушевой сатурнии могут находить самок за несколько километров. В опытах, проводившихся уже после Фабра, самцы безошибочно отличали ящички, в которых год назад содержались самки. А ведь стоит отрезать у бабочки обе антенны, как она совершенно теряет способность ориентироваться по запаху.
Пеленги, определяемые с помощью усиков, могут быть, видимо, не только ароматными, звуковыми или ультразвуковыми.
Многие насекомые, даже если их ослепить, безошибочно находят воду: усики действуют в этом случае как влагоискатель. Паразитическое насекомое — наездник Эфиальтес — с помощью своих антенн отыскивает на коре дерева место, под которым в толще древесины, на глубине нескольких сантиметров, находится личинка нужного ему вида усачей или рогохвостов. Почуяв личинку, наездник сгибает антенны почти пополам и прикладывает их к коре, находит точку сверления и пронзает яйцекладом древесину, без промаха поражая спрятанную в глубине личинку.
Не менее удивительными свойствами обладают антенны муравьёв. Присмотримся хотя бы к двум встретившимся муравьям. Какое-то время они стоят, поглаживая друг друга антеннами, и вдруг убегают в одном направлении. Как позвал муравей муравья? Почему пошел второй за первым? В чем состоял сигнал, переданный и воспринятый насекомыми, которые скрестили усики? Не могут ли быть разработаны, если получить ответ на эти вопросы, какие-то средства, зовущие и ведущие насекомых, и не могут ли быть созданы на сходной основе какие-то новые технические устройства, передающие и принимающие сигналы-информацию?
Вспоминая историю птеростигмы, стоило бы присмотреться и к тому, как движутся в колонне переселяющиеся муравьи. Они бегут, почти сплошной массой разлившись по земле, и бегут не в беспорядке, а сохраняя довольно отчетливый строй, бегут, поводя усиками, касаясь ими то соседей справа и слева, то иногда того, кто впереди.
Это обычные муравьи, знакомые и примелькавшиеся. И все же описанная здесь встреча дает повод ещё раз спросить: почему? Почему движутся они единой массой? Какие силы собрали, сплотили и ведут их? Какую роль играют здесь прикосновения антенн, которыми обмениваются бегущие?
Давно ищет человек ответы на такие вопросы, но наука, исследующая живую природу, вопреки общепринятому мнению, ещё совсем молода и многое лишь начинает.
Присмотримся же к тому, что открыла эта молодая наука в мире муравьёв.