You Are Viewing

Aerodynamika


Dlaczego pszczoła lata?

Pszczola

Po pierwsze należy stwierdzić, że umiejętność lotu to cecha niezwykle przydatna – przejście z kwiatka na kwiatek zajmowałoby pszczole średnio 100 razy dłużej niż przelot, nie wspominając już o długiej drodze do ula. Dzięki tej cesze pszczoły mogą zbierać pokarm i zapylać rośliny nawet w promieniu kilku kilometrów od ula. Tym samym mają szansę na zdobycie znacznych ilości pokarmu i utrzymanie licznej rodziny (w szczytowym momencie rodzina pszczela może liczyć do 60.000 osobników!).

Zacznijmy od ewolucji. Opierając się na publikacji Stanisława Czachorowskiego z Zakładu Ekologii i Ochrony Środowiska Instytutu Biologii WSP w Olsztynie stwierdzamy, że sprawa nie jest prosta. Najbardziej rozpowszechniona teoria paranotalna głosi, że owady latające wyewoluowały z owadów żyjących na drzewach, które zwiększały swoje szanse przeżycia przeskakując w ucieczce przed drapieżnikami na niżej położone części roślin. Lepsze zdolności paralotniarskie zwiększały szansę na przeżycie i promowały rozbudowę skrzydeł. Przy czym ponieważ chowanie skrzydeł sprzyja poruszaniu się na roślinie wypustkom (praskrzydłom) mogły zacząć towarzyszyć mięśnie, które w dalszym toku ewolucji umożliwiły świadomy ruch i umiejętność wznoszenia oraz zawisu. Ale jest także sporo innych teorii na ten temat…
Nie mniej jednak istotne jest to, że wykształcenie skrzydeł dało owadom sporą przewagę w zdobywaniu pokarmu i zasiedlania nowych terenów.
Skupmy się teraz nad samym skrzydłem oraz nierozerwalnie z nim powiązaną zasadą ruchu.

Oplyw_1

Rys. 1. Przekrój skrzydła owada i wywoływane przez nie zaburzenia ruchu powietrza w ruchu postępowym.

Oplyw_gladki

Rys. 2. Gładki opływ przekroju skrzydła samolotu

Otóż skrzydła owada nie wykazują bardzo „opływowych kształtów (rys.1), jeżeli porównamy je ze skrzydłem samolotu lub szybowca (wykazującym największą ze znanych rozwiązań doskonałość aerodynamiczną – rys. 2) dostrzeżemy znaczną rozbieżność – czy zatem ewolucja lub inżynierowie się pomylili? Nie – cechą odróżniającą powierzchnię nośną (skrzydło) szybowca i skrzydło owada są warunki pracy i fizyka powietrza. Skrzydło szybowca uzyskuje bardzo dobre warunki pracy dlatego, że powietrze opływa je w najbardziej łagodny do osiągnięcia sposób a mianowicie w opływie laminarnym lub w przypadku samolotu – częściowo zaburzonym. Taki opływ powoduje najmniejsze zaburzanie powietrza i pozostawianie najmniejszego śladu w powietrzu. Specjalną rodzinę charakterystycznych przekrojów skrzydła zwanych profilami określamy jako laminarne lub zlaminaryzowane, w zależności od tego czy gładki przepływ bez dodatkowych, nieporządkowanych zaburzeń powietrza (turbulencji) udaje się wytworzyć na całym czy tylko na części profilu. Jakie warunki są konieczne żeby uzyskać taki przepływ? – duże, ale nie za duże, wymiary poprzeczne skrzydła (długość przekroju, zwanego w aerodynamice profilem) i znaczna, ale nie za duża prędkość ciała względem powietrza. To oznacza, że w przypadku skrzydeł owada (małe wymiary i niewielka prędkość) nawet przy bardzo szybkim trzepotaniu nie jesteśmy w stanie osiągnąć takich warunków lotu. Na marginesie można dodać, że dopiero wymiary ptaków, w szczególności dużych, pozwalają na skuteczne szybowanie – np. bocian.
Tymczasem warunki pracy skrzydła owada charakteryzuje zwiększona podatność powietrza do „przyklejania” się do powierzchni skrzydła. Tym samym skrzydło owada musi wykonywać skomplikowane ruchy, których celem jest wyrwanie się z lepkiego ośrodka, jakim staje się powietrze dla takich małych obiektów i unoszenie się w nim. Dlatego przy podnoszeniu skrzydła, kiedy siła nośna nie jest generowana ruch musi się odbywać w warunkach najmniejszego oporu, zaś w ruchu w dół trzeba wytworzyć jak najwięcej siły nośnej. Ten ruch korzysta również z oddziaływania z wirami wytworzonymi wcześniej przez skrzydło, co pozwala na częściowe zwiększenie siły nośnej i minimalizację oporów przy podnoszeniu skrzydła. Wszystko jednak musi odbywać się z częstotliwością pozwalającą łączyć wymiary owada, jego masę i fizykę powietrza. A to wszystko przy jak najmniejszym wydatku energii dostarczanej do mięśni napędzających skrzydło.

Jak w ogóle wygląda zjawisko pozwalające obiektom unosić się w powietrzu? Jest to zjawisko wytwarzania siły nośnej powstającej na skutek występowania różnicy ciśnień między dolną i górną powierzchnią skrzydła. W najbardziej czytelnym wytłumaczeniu tego zjawiska (rys. 3 – przypadek „gładkiego” opływu skrzydła samolotu lub szybowca) powietrze na dolnej powierzchni skrzydła jest wyhamowywane, przez co jego ciśnienie się zwiększa, zaś na górnej powierzchni rozpędzane, przez co jego ciśnienie się zmniejsza. Zwiększenie i zmniejszenie ciśnienia powietrza względem ciśnienia otoczenia (daleko od skrzydła) nazywamy odpowiednio nadciśnieniem i podciśnieniem. Tendencja do wyrównania energii (ciśnienia) powoduje parcie powietrza na dolną powierzchnię skrzydła i zasysanie górnej, co łącznie można opisać wytwarzaniem siły nośnej działającą na całe skrzydło. Oczywiście do wytworzenia opływu skrzydła potrzebny jest ruch – w przypadku owadów ruch jest wymuszany przez siłę mięśni poruszających skrzydłami względem powietrza z góry na dół i w kierunku przód-tył.
Zasadę przedstawi rysunek 3, na którym V – oznacza prędkość, p – ciśnienie, F – siłę aerodynamiczną, zaś strzałki spadki lub wzrost wartości prędkości lub ciśnienia,

Oplyw_gladki

Rys. 3. Zasada wytwarzania siły aerodynamicznej, łącznie siły nośnej i siły oporu

Jednak jak już powiedzieliśmy wcześniej zasada wytwarzania różnicy ciśnień w szybowcu i skrzydle owada bardzo się różni. W ruchu trzepoczącym mamy dodatkowo oddziaływanie z zaburzeniami wywoływanymi przez samo skrzydło (wirami) pozwalające na „odzyskanie” części energii z energii zgromadzonej w wirach.
W przypadku różnych owadów występują w szczegółach istotne różnice między zasadą ruchu, jednak jedna cech jest wspólna – o ile szybowiec wytwarza siłę nośną w bardzo „spokojnym”, mało zaburzonym przepływie, o tyle trzepotanie prowadzi do wytworzenia znacznej liczby dużych zaburzeń. Większość efektów towarzyszących ruchowi trzepoczącemu ma jednak efekt pozytywny, dzięki czemu owady unoszą się w powietrzu i są w stanie efektywnie przelatywać na długie dystanse oraz kontrolować lot (np. utrzymywać zawis w miejscu). O efektywności ich metody ruchu może świadczyć chociażby to, że ich organizm nie składa się z „góry” mięśni połączonych z niewielką głową, skrzydłami i kilkoma pomniejszymi organami a przeciwnie mięśnie w ich organizmie nie są nieproporcjonalnie duże. Jednak koszt utrzymania organizmu w powietrzu jest relatywnie duży – rysunek 4 pokazuje koszt zużycia energii do pokonania przez kilogram masy ciała jednostki odległości – owady oznaczone trójkątem plasują się w gronie organizmów zużywających największą ilość energii.

Oplyw_gladki

Rys. 4. Metaboliczny koszt transportu (ilość energii, którą organizm lub urządzenie musi zużyć do przewiezienia 1 kilograma swojej masy na odległość 1 metra). Przygotowane na podstawie danych Kenneth M. Crawford, bioweb.wku.edu/faculty/crawford/Locomotion1.ppt.

Zatem jaki może być wniosek z tej krótkiej analizy efektywności ruchu trzepoczącego owadów? Owady nie są tak efektywne jak szybowce ani samoloty ani nawet śmigłowce a to głównie ze względu na małe wymiary, przez które wytworzenie siły nośnej koniecznej do unoszenia nawet lekkiego owada w powietrzu jest bardzo trudne i wymaga dużego wysiłku. Duże obiekty latające takie jak samoloty, szybowce przez większe wymiary i prędkości korzystają z lepszych warunków przepływu powietrza, zaś małe owady muszą zmagać się z relatywnie bardziej lepkim ośrodkiem. Należy jednak podkreślić, że owady skorzystały z bardzo efektywnego mechanizmu wytwarzania siły aerodynamicznej, dostosowanego do wymiarów i możliwości ich ciała – ruchu trzepoczącego.

Organizmy takie jak trzmiel ziemny, koliber przysporzyły naukowcom nie lada kłopotu z określeniem skąd dokładnie pochodzi tak zaskakująco (jak na klasyczne, lotnicze aerodynamiczne badanie ich możliwości) duża efektywność ich skrzydeł. Dopiero dokładna analiza zjawisk związanych z wirami wytwarzanymi i oddziałującymi ze skrzydłem w różnych fazach ruchu, uwzględnienie uginania się skrzydeł owada, ich ustawienia w kolejnych fazach ruchu dały informację o przyczynie takich dobrych wyników.

Należy zdawać sobie również sprawę z tego, że właśnie ograniczenie wydatku energetycznego ze względu na oddziaływanie ruchu skrzydła z wytwarzanymi wirami powoduje, że w zależności od wymiarów owada i jego masy może on skorzystać z określonego zakresu częstotliwości trzepotania, ponieważ w przypadku znacznie szybszego lub wolniejszego trzepotania nie wytworzyłby odpowiedniej siły nośnej lub kosztowałoby go to zbyt wiele energii. Co ciekawe już w przypadku ptaków zasada działania ich skrzydeł jest znacząco inna, a trzepotanie jest tylko jednym z mechanizmów utrzymywania się w powietrzu. Ptaki w ruchu trzepoczącym (w większości gatunków) korzystają ze zginającego się łokcia oraz wykorzystują szybowanie a także prądy powietrzne (w szczególności duże osobniki, takie jak bocian). Na granicy świata ptaków i owadów (jeżeli porównujemy zasadę ich ruchu) stoi koliber. Jest on ptakiem, u którego skrzydło pracuje podobnie jak u owadów, a łokieć mający małe znaczenie przy jego wymiarach, w wyniku ewolucji, schował się w obrysie ciała i praktycznie nie bierze udziału w ruchu.

Ciekawostka – bzyczenie

Skąd bzyczenie komara ;)?

Ruch trzepoczący owadów jest związany z szybkim przemieszczeniem skrzydła z góry na dół i do góry. W fizyce i technice takie powtarzalne zjawiska są opisywane przez częstotliwość określaną przez liczbę powtórzeń w ciągu sekundy i wyrażoną w jednostkach Hz (Hertzach). 1 Hz to jedno powtórzenie w ciągu 1 sekundy.
W przypadku owadów ich skrzydła wykonują od kilkudziesięciu (ważka 35-40 Hz) przez 200 (muszka owocówka), aż do 600 powtórzeń na minutę. W przypadku tego ostatniego wyniku mówimy właśnie o komarze, którego skrzydła według różnych szacunków wykonują 450 – 600 powtórzeń na sekundę. Duża częstotliwość trzepotania, powodująca zaburzenia powietrza rozchodzące się i odbierane przez nasze narządy słuchu w formie dźwięku to właśnie przyczyna bzyczenia tych dość nieznośnych stworzeń.

Pomagają nam

3DMaster            3DMaster

Informacje kontaktowe

Wyślij wiadomość