Природа vs. авиация — кто кого?

Иногда мы заимствуем инженерные решения у природы, иногда идём своим путём. В авиации преобладает второй путь: самолёты, вертолёты и дроны летают совсем не так, как бабочки и стрекозы.

Один профессор РХТУ им. Менделеева прославился среди студентов заповедью, которую повторял часто: «Дети! Никогда не убивайте мух, они лучшие навигаторы в пространстве». Он был прав: мухи — признанные мастера полёта, они садятся и взлетают с любых опор, в том числе и с потолка, могут приземлиться на качающийся под ветром цветок и легко уклоняются от неловких человеческих движений.

Мухи: навигация и маневренность

Определять направление движения мухам позволяет система нейронов направления головы — группа очень активных нервных клеток, организованных по кругу, из которых активно работает та часть, которая соответствует расположения относительно визуального стимула. Мухи полагаются в основном на зрение, но по однажды виденным местам могут летать и в полной темноте.

Благодаря этим нейронам муха всегда точно знает, где она находится и куда движется. Кроме того, крошечный мозг мухи очень быстро обрабатывает информацию, поступающую от глаз, и успевает с невероятной скоростью реагировать на новые стимулы — например, на появление хищников. Буквально в мгновение ока (то есть пока человек моргает один раз) муха может заметить приближение хищника и изменить траекторию полёта на прямо противоположную.

Навигацию в воздухе мухе обеспечивают фасеточные глаза, нейроны направления головы и сложная, еще не до конца изученная система «датчиков», реагирующих на ветер и деформацию крыла. А маневренность мухам обеспечивают два вида летательных мышц: большие и сильные, обеспечивающие 220 взмахов в секунду, и маленькие, позволяющие менять положение крыла и направление полёта.

Уподобить механизм мухе попытались гарвардские инженеры: они построили мухолёт — миниробота массой 0,8 г, который махал крыльями со скоростью 120 взмахов в секунду и расходовал в полёте примерно столько энергии, сколько тратит живое насекомое.

Зависание: насекомые и машины

Зависание в воздухе, или ховеринг — тонкое искусство, освоенное только теми живыми существами, которым оно нужно. Оставаться на одном месте, не приземляясь, научились крупные насекомые и птицы, которые питаются нектаром, но из-за относительно большой массы не могут садиться на цветы, и хищные стрекозы, которые летают слишком быстро, чтобы разглядеть в проносящейся под ними траве добычу.

Чтобы замирать в воздухе, насекомые использую три разные стратегии. При первой крылья движутся в горизонтальной плоскости, а их кончики описывают длинные восьмёрки — так зависают пчёлы. При второй стратегии крылья движутся вверх и вниз с большой скоростью, но амплитуда взмаха мала — этим подходом пользуются стрекозы. Третий метод популярен среди бабочек: крылья медленно движутся перпендикулярно земле, причём на взмахе крылья создают подъемную силу, а при опускании вниз работают вхолостую, и бабочка то немного приподнимается, то падает обратно, в результате оставаясь примерно на одном месте.

Винтов, похожих на винт вертолёта, нет ни у одного живого существа: это исключительно человеческое изобретение. Зато мы добились в реализации этого принципа больших успехов. Маленькие «селфи-дроны» с четырьмя винтами можно выпустить из руки в любом месте — и они останутся неподвижно висеть в воздухе.

Слишком тяжёлые, чтобы летать

На заре развития авиации инженеры убедительно доказывали, что тяжёлые насекомые — такие, как шмели и майские жуки — в теории летать не могут: слишком велико отношение массы тела к площади крыла. Действительно, аэроплан с таким соотношением массы к плоскости крыла ни за что не поднимется в воздух. Но насекомые используют совсем другую технику, и учёные давно решили шмелиную загадку.

Самолёт летит за счёт разницы давлений: обтекая крылья, воздух над неподвижным крылом движется гораздо быстрее, чем под крылом, и самолёт поднимается вверх, в область с меньшим давлением. Но если крылья движутся как у насекомого, схема меняется: важна становится не площадь крыла и разница давлений, а скорость взмахов и сила турбулентных потоков, которые возникают у кромки крылышка.