Інженерні рішення: у чому сучасна авіація перевершила природу
Іноді ми запозичуємо інженерні рішення у природи, іноді йдемо своїм шляхом. В авіації переважає другий шлях: літаки, вертольоти і дрони літають зовсім не так, як метелики і стрекози.
Один професор РХТУ ім. Менделєєва прославився серед студентів заповіддю, яку повторював часто: "Діти! Ніколи не вбивайте мух, вони найкращі навігатори в просторі ". Він мав рацію: мухи - визнані майстри польоту, вони сідають і злітають з будь-яких опор, в тому числі і зі стелі, можуть приземлитися на квітку і легко ухиляються від незручних людських рухів.
Мухи: навігація і маневреність
Визначати напрямок руху мухам дозволяє система нейронів напрямку голови - група дуже активних нервових клітин, організованих по колу, з яких активно працює та частина, яка відповідає розташуванню щодо візуального стимулу. Мухи покладаються переважно на зір, але одного разу баченими місцями можуть літати і в повній темряві.
Завдяки цим нейронам муха завжди точно знає, де вона знаходиться і куди рухається. Крім того, крихітний мозок мухи дуже швидко обробляє інформацію, що надходить від очей, і встигає з неймовірною швидкістю реагувати на нові стимули - наприклад, на появу хижаків. Буквально в мить ока (тобто поки людина моргає один раз) муха може помітити наближення хижака і змінити траєкторію польоту на прямо протилежну.
Навігацію в повітрі мухе забезпечують фасеткові очі, нейрони напрямку голови і складна, ще не до кінця вивчена система «датчиків», що реагують на вітер і деформацію крила. А маневреність мухам забезпечують два види літальних м'язів: великі і сильні, що забезпечують 220 помахів на секунду, і маленькі, що дозволяють змінювати положення крила і напрямок польоту.
Уподібнити механізм мухе спробували гарвардські інженери: вони побудували мухолет - мініробота масою 0,8 г, який махав крилами зі швидкістю 120 помахів на секунду і витрачав у польоті приблизно стільки енергії, скільки витрачає жива комаха.
Зависання: комахи і машини
Зависання в повітрі, або ховерінг - тонке мистецтво, освоєне тільки тими живими істотами, яким воно потрібно. Залишатися на одному місці, не приземляючись, навчилися великі комахи і птахи, які харчуються нектаром, але через відносно велику масу не можуть сідати на квіти, і хижі стрекози, які літають занадто швидко, щоб розгледіти в траві, що проноситься під ними, здобич.
Щоб завмирати в повітрі, комахи використовую три різні стратегії. При першій крилі рухаються в горизонтальній площині, а їх кінчики описують довгі вісімки - так зависають бджоли. При другій стратегії крила рухаються вгору і вниз з великою швидкістю, але амплітуда помаху мала - цим підходом користуються стрекози. Третій метод популярний серед метеликів: крила повільно рухаються перпендикулярно землі, причому на помаху крила створюють підйомну силу, а при опусканні вниз працюють вхолосту, і метелик то трохи піднімається, то падає назад, в результаті залишаючись приблизно на одному місці.
Гвинтів, схожих на гвинт вертольота, немає у жодної живої істоти: це виключно людський винахід. Зате ми досягли в реалізації цього принципу великих успіхів. Маленькі «селфі-дрони» з чотирма гвинтами можна випустити з руки в будь-якому місці - і вони залишаться нерухомо висіти в повітрі, ось як цей кишеньковий апарат:
Занадто важкі, щоб літати
На зорі розвитку авіації інженери переконливо доводили, що важкі комахи - такі, як джмелі і травневі жуки - в теорії літати не можуть: занадто велике ставлення маси тіла до площі крила. Дійсно, аероплан з таким співвідношенням маси до площини крила ні за що не підніметься в повітря. Але комахи використовують зовсім іншу техніку, і вчені давно вирішили шмелину загадку.
Літак летить за рахунок різниці тисків: обтікаючи крила, повітря над нерухомим крилом рухається набагато швидше, ніж під крилом, і літак піднімається вгору, в область з меншим тиском. Але якщо крила рухаються, як у комахи, схема змінюється: важлива стає не площа крила і різниця тисків, а швидкість помахів і сила турбулентних потоків, які виникають у кромки крильця.