Zborul insectelor Pentru Știință
Zborul plutitor al insectelor rezultă dintr-o combinație de efecte aerodinamice elucidate de un model care folosește legile similarității.
În 1934, în introducerea cărții sale Le vol des Insectes, entomologul Antoine Magnan scria: „În primul rând condus de ceea ce se face în aviație, am aplicat insectelor legile rezistenței aerului, aerului și am venit cu asistentul meu André Sainte-Lagüe la concluzia că zborul lor este imposibil. " Această concluzie pripită s-a bazat probabil pe faptul că ridicarea teoretică maximă a aripilor unei drone este mai mică decât greutatea sa.
Ridicarea este forța exercitată asupra unui corp perpendicular pe direcția mișcării sale sau a fluxului în care este scufundat. Această ridicare este, în general, calculată pentru o aripă de avion: forma curbată a aripii necesită ca viteza fluxului de aer peste partea sa superioară să fie mai mare decât de-a lungul părții inferioare. Conform principiului descoperit de Daniel Bernoulli în secolul al XVIII-lea, creșterea vitezei fluidului este însoțită de o scădere a presiunii: presiunea fiind mai mare sub aripă decât deasupra, împingerea exercită o ridicare în sus (vezi figura 6 ).
Din 1934, inginerii și matematicienii au făcut progrese și au dobândit suficiente cunoștințe pentru a dezvolta aripile aeronavei necesare pentru transportarea a sute de pasageri, precum cele ale Airbus A380. Proiectarea acestor planuri se bazează pe principiul staționarității că aerul curge în jurul aripilor și forțele rezultate sunt stabile în timp.
Nu este cazul cu insectele, al căror zbor a fost mult timp o enigmă, deoarece aceste animale bat din palme și își întorc aripile de 20 până la 600 de ori pe secundă. Forțele aerodinamice și fluxurile de aer sunt în continuă schimbare și complică analizele, matematica și experimentele.
Pentru a înțelege fizica zborului de zbor al unei muște, am dezvoltat o configurație experimentală (vezi Figura 3). Într-un rezervor de două tone de ulei bate ușor o pereche de aripi de 60 de centimetri lățime. Acționate de șase motoare controlate de un computer, aripile agită fluidul și creează o mișcare dezvăluită de milioane de bule de aer injectate în rezervor. Întregul este iluminat de raze de lumină laser și filmat de camere video, în timp ce senzorii înregistrează continuu forțele exercitate pe aripi.
Datorită insectei mecanice, care imită mișcările aripilor cu o viteză de 1000 de ori mai lentă și pe o scară de 100 de ori mai mare, am înțeles cum zbura folosește vârtejurile, taraba întârziată, circulația aerului în jurul aripilor și captarea trezirii. Să detaliați aceste fenomene care oferă insectelor o astfel de ușurință în zbor.
Un foșnet de aripi
Aripile insectelor în mișcare apar cel mai adesea ca o imagine neclară, astfel încât zborul insectelor nu seamănă cu cel al avioanelor. Aripile insectei nu sunt animate de o simplă oscilație verticală: capătul fiecărei aripi urmărește o curbă ovală puternic înclinată. În plus, aripile schimbă orientarea cu fiecare clapetă: fața superioară a unei aripi este orientată în sus când aripa este coborâtă și în jos când este ridicată.
Primele încercări de analiză a zborului insectelor au aplicat acestor mișcări complexe legile aerodinamicii staționare, legi utilizate de obicei în aeronautică. Aceste abordări au fost totuși mai puțin naive decât cea care a condus la primele calcule ale zborului dronei, deoarece au luat în considerare variația vitezei aripilor în timp.
Imaginați-vă că înghețăm aripa insectei în fiecare dintre pozițiile succesive pe care le ia în timpul unei bătăi, că reproducem în tunelul de vânt fluxul corespunzător fiecărei poziții ale sale și că măsurăm ascensiunea asociată. Dacă teoria staționară ar fi corectă, forța medie calculată prin adăugarea forțelor asociate cu toate pozițiile ar fi îndreptată în sus și egală cu greutatea insectei.
La sfârșitul anilor 1970, aerodinamicii s-au îndoit de relevanța acestei analize și, la începutul anilor 1980, din datele disponibile, fizicianul american Charles Ellington a concluzionat că abordarea staționară nu putea explica forțele implicate. Rămân de descoperit mecanismele de curgere nestatare care guvernează bătăile aripilor.
Distribuția vitezei și a presiunilor în interiorul unui fluid este guvernată de ecuațiile Navier-Stokes, care au fost formulate la începutul anilor 1800. Într-un fluid cu densitate redusă precum aerul, mișcarea complexă a aripii face ca rezolvarea acestor ecuații să fie foarte dificilă, chiar și cu cele mai eficiente calculatoare.
Prelucrarea datelor și teoria fiind neputincioase, putem măsura direct pe insectă forțele aerodinamice datorate bătăilor? Câteva echipe au ajuns la sarcină, dar dimensiunile reduse și viteza mare a aripilor au făcut ca măsurătorile să fie dificile. Mai mult, măsurătorile forței efectuate asupra insectelor vii ar trebui privite cu prudență, deoarece comportamentul animalelor captive diferă de cel al animalelor libere.
Frumusețile asemănării
Pentru a rezolva aceste dificultăți, inginerii folosesc proprietățile de similitudine, care permit fluxul din jurul unui obiect real să fie legat de cel din jurul unui model, care este mai ușor de manevrat și studiat într-un tunel de vânt. Este lumea cu susul în jos: în timp ce inginerii aeronautici construiesc modele la scară, cei care studiază zborul insectelor au nevoie de modele mărite.
Întârzierea abandonului
În 1992, împreună cu Karl Götz, de la Institutul Max Planck din Tübingen, am construit un model de aripă format dintr-o „paletă”, de cinci centimetri lățime pe 20 de centimetri lungime, conectată la motoare și scufundări.într-o cadă mare cu sirop de zahăr. Această creștere în dimensiune și vâscozitate combinată cu o reducere a vitezei de bătăi a dat echipamentului același număr Reynolds ca cel al unei aripi de zbor.