tajemnice lotu owadow, EDUKACYJNE, Swiat nauki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
PROTOTYP LATAJCEGO ROBOTA buduj naukowcy w Vanderbilt
School of EngineeringÕs Center for Intelligent Mechatronics. Jego dzia¸a-
nie b«dzie oparte na zjawiskach aerodynamicznych, ktre s wykorzysty-
wane przez owady, a nie na tych, dzi«ki ktrym lataj samoloty.
lotu
owadw
ZWIERZ¢TA TE, ABY UTRZYMA SI¢ W POWIETRZU, WYKORZYSTUJ
KOMBINACJ¢ WIELU ZJAWISK AERODYNAMICZNYCH
MICHAEL DICKINSON
zbiorniku zawiera-
jcym dwie tony
oleju mineralnego
dwa mechaniczne
skrzyd¸a porusza-
j si« bardzo po-
woli tam i z po-
wrotem, potrzebu-
jc aý pi« sekund na jeden okres ru-
chu. Nap«dzane szeæcioma sterowany-
mi komputerowo silnikami wzbudzaj
w cieczy wiry, dobrze widoczne dzi«ki
milionom powsta¸ych w niej banieczek
powietrza (zbiornik przypomina wi«c
gigantyczny kufel piwa, w ktrym trze-
pocze si« mechaniczna mucha o 60-cen-
tymetrowej rozpi«toæci skrzyde¸). Sce-
n« rozjaæniaj b¸yski zielonego æwiat¸a
laserowego, a specjalne kamery wideo
rejestruj tory po¸yskujcych, wiruj-
cych p«cherzykw powietrza. Si¸y dzia-
¸ajce na skrzyd¸a ze strony cieczy s
rejestrowane przez przymocowane do
nich czujniki.
Wraz ze swym zespo¸em badawczym
zbudowa¸em ten nietypowy zestaw do-
æwiadczalny, by wyjaæni podstawy fi-
zyczne unoszenia si« w powietrzu ma-
leÄkiej muszki owocowej
(Drosophila
melanogaster)
. Muszka nie ma najmniej-
szego poj«cia o aerodynamice, wytwa-
rzaniu wirw, opnionym oderwaniu,
cyrkulacji ani wychwyceniu æladu; ona
tylko korzysta z praktycznych konse-
kwencji tych zjawisk 200 razy na sekun-
d«, gdy macha skrzyd¸ami w gr« i w
d¸. Jej mechaniczny model, ktry na-
zwaliæmy robomuch, naæladuje ruch
skrzyde¸ owada, lecz jest od niego 100
razy wi«kszy i porusza skrzyd¸ami 1000
razy wolniej. Nie czuliæmy si« na si¸ach,
by bada ruch ýywego owada, niezwykle
szybkiego i maleÄkiego, mamy nato-
miast nadziej«, ýe robomucha umoýli-
wi nam zrozumienie zawi¸oæci aerody-
namiki, dzi«ki ktrej owady lataj.
Owady dominuj na naszej planecie
zarwno pod wzgl«dem liczby gatun-
kw, jak i wp¸ywu na ærodowisko. Ten
niezwyk¸y sukces zawdzi«czaj wielu
cechom, a umiej«tnoæ latania jest jed-
n z najwaýniejszych. Zdolnoæ lotu
umoýliwia owadom zasiedlanie nowych
terenw, poszukiwanie poýywienia na
rozleg¸ym obszarze, a nawet migracj«
do rejonw o cieplejszym klimacie ze
zmian pr roku. Jednak lot to nie tylko
sposb przemieszczania si« Ð wiele owa-
dw wykorzystuje akrobacje powietrzne
do polowania, obrony swego terytorium
i zdobywania partnerw. W trakcie ewo-
lucji nast«powa¸a selekcja pod ktem
bardziej wszechstronnych i wydajniej-
szych technik lotu, dzi«ki czemu budowa
owadw jest doskona¸a. Maj one bar-
dzo czu¸e narzdy w«chu i cz«sto do-
skona¸y wzrok oraz pot«ýne mi«ænie Ð
wszystkie te cechy s w jakiæ sposb
zwizane z umiej«tnoæci lotu. Jednak
do niedawna w naszej wiedzy o locie
owadw istnia¸a dotkliwa luka: naukow-
cy mieli k¸opoty z wyjaænieniem na grun-
SIERPIEÁ 2001
åWIAT NAUKI
31
Tajemnice
Zdj«cia: Timothy Archibald
W
wielkoæci kciuka, ktre mog¸yby by przy-
datne w pracach poszukiwawczych i ra-
towniczych, monitorowaniu ærodowiska,
nadzorze powietrznym, wykrywaniu min
i badaniu planet. Zbudowano juý mode-
le samolotw wielkoæci ptaka, ale niko-
mu nie uda¸o si« jeszcze skonstruowa
latajcego modelu samolotu wielkoæci
muchy. Owady machaj skrzyd¸ami nie
dlatego, ýe nie wykszta¸ci¸y w trakcie ewo-
lucji æmigie¸, przek¸adni i turbin, lecz dla-
tego ýe z powodu lilipucich rozmiarw
musz korzysta z innych zjawisk aerody-
namicznych. By moýe przysz¸e roboty
wielkoæci owadw b«d zawdzi«cza¸y
zdolnoæci aerodynamiczne swoim natu-
ralnym odpowiednikom.
ROBOMUCHA PORUSZAJCA POWOLI SKRZYDüAMI w lepkim oleju mineralnym symuluje szyb-
ki ruch skrzyde¸ muszki owocowej w powietrzu. Oæwietlenie wizkami æwiat¸a laserowego cieczy
zawierajcej bbelki powietrza pozwala na obserwacj« przep¸yww wytwarzanych w cieczy, a czuj-
niki na skrzyd¸ach Ð na rejestracj« generowanych si¸.
ROZMYTY OBRAZ SKRZYDEü
DLA KAûDEGO OBSERWATORA
jest oczywi-
ste, ýe pozostajcy w zawisie owad, kt-
rego skrzyd¸a wida jedynie jako plam«,
lata zupe¸nie inaczej niý samolot. Skrzy-
d¸a owada nie tylko poruszaj si« w g-
r« i w d¸ jak ¸opatki na zawiasach Ð ko-
niec kaýdego skrzyd¸a zatacza wyd¸u-
ýony owal nachylony wzgl«dem pionu.
Ponadto skrzyd¸a obracaj si« w czasie
kaýdego cyklu: ich wierzchnia strona
jest grn przy ruchu w d¸, potem
skrzyd¸a obracaj si« i przy ruchu w g-
r« jest ona stron doln.
Na pocztku do badaÄ z¸oýonego lo-
tu owadw prbowano wykorzysta
konwencjonaln aerodynamik« ustalo-
n, ktra tak dobrze sprawdza si« w
przypadku skrzyde¸ samolotw. Nie by-
¸y to prby tak naiwne, jak nies¸awne
obliczenia si¸y noænej trzmiela, gdyý
uwzgl«dniano w nich zmian« pr«dkoæci
skrzyde¸ podczas ich ruchu w gr« i w
d¸. Wyobramy sobie, ýe wybieramy
pewne po¸oýenie skrzyde¸ w czasie ich
ruchu i analizujemy sytuacj« w tunelu
aerodynamicznym dla pr«dkoæci ruchu
powietrza i orientacji skrzyd¸a odpowia-
dajcych w¸aænie temu po¸oýeniu skrzy-
d¸a w locie owada. W ten sposb moýna
wyznaczy si¸« dzia¸ajc na skrzyd¸o
w kaýdej chwili.
Gdyby podejæcie oparte na hipotezie
stanu ustalonego by¸o prawid¸owe, to
ærednia si¸a otrzymana przez zsumowa-
nie si¸ wyznaczonych dla kaýdej fazy ru-
chu w ca¸ym cyklu powinna by skiero-
wana do gry i rwna ci«ýarowi owada.
Jeszcze pod koniec lat siedemdziesi-
tych eksperci nie byli zgodni, czy tego
rodzaju analiza pozwala wyjaæni, dla-
czego owady utrzymuj si« w powietrzu.
cie aerodynamiki natury si¸, dzi«ki kt-
rym owady utrzymuj si« w powietrzu.
Problemy te sta¸y si« nawet tematem
popularnej anegdoty Ð o pewnym uczo-
nym, ktry udowodni¸, ýe trzmiel nie
moýe lata Ð cz«sto cytowanej na po-
parcie tezy, ýe warto czasem poda
w wtpliwoæ nawet najbardziej uznane
dogmaty. Historyjka o trzmielu pochodzi
z 1934 roku z ksiýki entomologa Anto-
ineÕa Magnana, w ktrej wspomina on o
obliczeniach wykonanych przez jego
asystenta, inýyniera Andr Sainte-La-
gu. Przedstawiony tam wniosek by¸
oparty na stwierdzeniu, ýe si¸a noæna
statku o skrzyd¸ach tak ma¸ych, jak
trzmiela i latajcego tak wolno, jak ten
owad, jest niewtpliwie duýo mniejsza
od jego ci«ýaru.
Od tamtego czasu inýynierowie i ma-
tematycy zdobyli wiedz« teoretyczn
z aerodynamiki, pozwalajc na zbudo-
wanie Boeinga 747 i samolotw typu
stealth. I cho te statki powietrzne s
niezwykle skomplikowane, to w ich bu-
dowie wykorzystywana jest g¸wnie ae-
rodynamika ustalona: op¸yw powietrza
wok¸ skrzyd¸a i powstajce dzi«ki te-
mu si¸y s sta¸e w czasie. Lot owadw
dlatego tak trudno opisa, bo machaj
skrzyd¸ami od 20 do 600 razy na sekun-
d«, a ponadto obracaj je. Powstajcy
przy tym przep¸yw powietrza wytwarza
si¸y aerodynamiczne zmienne w czasie,
trudne zarwno do analizy matematycz-
nej, jak i badaÄ doæwiadczalnych.
Poznanie tajemnic lotu owadw to nie
tylko rozwizanie starej zagadki naukowej
Ð moýe mie rwnieý praktyczne zastoso-
wania. Niedawno inýynierowie zacz«li
myæle o budowie latajcych robotw
MICHAEL DICKINSON
rozpocz¸ karier«
naukow jako neurobiolog badajcy ko-
mrkowe podstawy zachowaÄ organizmw.
Mechanik lotu zainteresowa¸ si«, gdy zaj-
mowa¸ si« maleÄkimi czujnikami, ktre
mierz wygi«cie skrzyd¸a w czasie jego ru-
chu. Obecnie bada lot owadw w sposb
zintegrowany, wykorzystujc narz«dzia
i metody badawcze biologii, fizyki i nauk
technicznych. Jest profesorem na Wydzia-
le Biologii Integracyjnej University of Cali-
fornia w Berkeley.
32
åWIAT NAUKI
SIERPIEÁ 2001
Na pocztku lat osiemdziesitych Char-
les Ellington z University of Cambridge
przeanalizowa¸ dok¸adnie wszystkie do-
st«pne prace doæwiadczalne i doszed¸
do wniosku, ýe hipoteza stanu ustalone-
go nie wyjaæni powstawania si¸ niezb«d-
nych do utrzymania si« owada w locie.
W tej sytuacji z nowym zapa¸em podj«-
to badania przep¸yww nieustalonych,
ktre mog¸yby wyjaæni wi«ksze osi-
gni«cia skrzyde¸ machajcych.
Rozk¸ad pr«dkoæci i ciænienia w p¸ynie
opisuje rwnanie NavieraÐStokesa sfor-
mu¸owane na pocztku XIX wieku
(z punktu widzenia zjawisk aerodyna-
micznych powietrze jest p¸ynem o bar-
dzo ma¸ej g«stoæci). Gdybyæmy potrafili
rozwiza to rwnanie dla porusza-
jcych si« skrzyde¸ owada, moglibyæmy
otrzyma pe¸n charakterystyk« aerody-
namiczn jego lotu. Niestety, z¸oýonoæ
ruchu skrzyde¸ powoduje, ýe zagadnie-
nie to jest zbyt trudne, by moýna uzy-
ska jego rozwizanie nawet przy uýyciu
najpot«ýniejszych komputerw.
Skoro nie moýemy rozwiza zagad-
nienia, wykorzystujc teori« i komputer,
to moýe uda si« nam zmierzy si¸y wy-
twarzane przez poruszajce si« skrzy-
d¸a owada? Kilka zespo¸w badawczych
przystpi¸o do ciekawych i ambitnych
eksperymentw, wykazujc wiele wy-
obrani przy opracowywaniu nowych
metod badawczych, lecz naukowcy nie
zdo¸ali wykona dostatecznie dok¸ad-
nych pomiarw ze wzgl«du na ma¸e roz-
miary i duý pr«dkoæ poruszania si«
skrzyde¸ owadw.
Aby pokona tego rodzaju ogranicze-
nia, biolodzy zajmujcy si« badaniem
cech lokomocyjnych zwierzt wykorzy-
stuj cz«sto modele budowane w okre-
ælonej skali Ð jak inýynierowie przy pro-
jektowaniu samolotw, statkw i samo-
chodw. Inýynierowie buduj zmniej-
szone modele pojazdw, a badacze lotu
owadw powi«kszaj skrzyd¸a i spowal-
niaj ich ruch, by pomiary sta¸y si« ¸a-
twiejsze. Badania takich modeli daj
sensowne wyniki, jeæli spe¸niony jest wa-
runek dotyczcy wartoæci dwch si¸ dzia-
¸ajcych na cia¸o w p¸ynie: si¸y pocho-
dzcej od bezw¸adnoæci p¸ynu i od jego
lepkoæci. Si¸a bezw¸adnoæci to si¸a po-
trzebna do przemieszczenia pewnej ma-
sy p¸ynu; jest tym wi«ksza, im wi«ksza
jest g«stoæ p¸ynu. Lepkoæ jest zwiza-
na z tarciem, ktre powstaje podczas ru-
chu ssiednich obszarw p¸ynu z rýn
pr«dkoæci. To z powodu lepkoæci trud-
MUCHA NA UWI¢ZI w komorze rzeczywistoæci wirtualnej
(na grze)
. Tysice sterowanych kom-
puterowo zielonych diod daj musze z¸udzenie ruchu otoczenia w zgodzie z jej manewrami.
Do symulacji zwrotw i obrotw w locie swobodnym s¸uýy podobna komora na zawieszeniu
Cardana
(na dole)
.
5
3
OPîNIONE ODERWANIE
SIüA NOåNA OD OBROTU
4
1
2
2
MUSZKA OWOCOWA wykorzystuje trzy
rýne zjawiska aerodynamiczne, by utrzy-
ma si« w powietrzu. Podczas uderzenia
skrzyde¸ do gry
(1)
na przedniej kraw«-
dzi skrzyd¸a tworzy si« wir, co zwi«ksza
si¸« noæn. Zjawisko to nazywa si« op-
nionym oderwaniem, poniewaý jest zbyt
ma¸o czasu, by wir oderwa¸ si« od skrzy-
d¸a, co zachodzi jednak na skrzydle sa-
molotu. W koÄcowej fazie uderzenia
(2,
3, 4)
skrzyd¸o si« obraca Ð daje to si¸«
noæn, podobnie jak w przypadku pi¸ki te-
nisowej zagranej podci«ciem. Na poczt-
ku ruchu powrotnego
(5)
skrzyd¸o prze-
chodzi przez ælad wirowy wytworzony
podczas poprzedniego uderzenia skrzyd¸a
w przeciwnym kierunku. Jest ono ww-
czas ustawione tak, ýe ten przep¸yw powie-
trza wytwarza dodatkow si¸« noæn Ð ta-
kie odzyskanie energii nazywa si« wy-
chwyceniem æladu.
1
SIüA NOåNA
WIR NA
KRAW¢DZI
NATARCIA
OBRîT
SKRZYDüA
UDERZENIE
SKRZYDüA
WIR
ROZRUCHOWY
KT
NAPüYWU
SIüA NOåNA
DUûA PR¢DKOå
no zamiesza syrop. W¸aæciwoæci fizycz-
ne zwierzt i ich modeli s podobne, je-
æli taki sam jest w obu przypadkach sto-
sunek si¸y bezw¸adnoæci do si¸y lepkoæci,
nazwany liczb Reynoldsa.
Liczba Reynoldsa roænie ze wzrostem
d¸ugoæci i pr«dkoæci cia¸a oraz g«stoæci
p¸ynu, a maleje ze wzrostem jego lepko-
æci dynamicznej. Ruch duýego, szybko
poruszajcego si« samolotu odbywa si«
w warunkach odpowiadajcych liczbom
Reynoldsa od 1mln do 100 mln. Owady
s ma¸e i lataj wolno Ð ich ruchowi od-
powiadaj liczby Reynoldsa od 100 do
1000, a dla najmniejszych owadw, jak
popularne szkodniki ogrodowe, przyl-
ýeÄce, jest ona nawet mniejsza od 100.
p¸ynu wzd¸uý skrzyd¸a oraz wok¸ jego
kraw«dzi. Cz«sto tak si« post«puje, pra-
cujc z prostymi modelami aerodyna-
micznymi Ð dzi«ki temu przep¸yw zmie-
nia si« efektywnie z trjwymiarowego
na dwuwymiarowy. Jego analiza jest
wi«c ¸atwiejsza, cho istnieje obawa, ýe
pomija si« pewne waýne zjawiska.
Wyniki naszych doæwiadczeÄ z mode-
lem skrzyd¸a, a takýe prac w innych labo-
ratoriach umoýliwi¸y odkrycie zjawiska,
ktre by moýe pozwoli na rozwizanie
zagadki ruchu owadw: opnionego
oderwania. W przypadku samolotu ode-
rwanie wyst«puje wtedy, gdy tzw. kt na-
tarcia jest zbyt duýy (lotnicy nazywaj to
zjawisko przecigni«ciem). Dla ma¸ego
kta natarcia strumieÄ powietrza dzieli
si« przy zetkni«ciu ze skrzyd¸em na dwa
strumienie op¸ywajce skrzyd¸o po gr-
nej i dolnej jego powierzchni. StrumieÄ
grny porusza si« szybciej, co powodu-
je, ýe ciænienie nad skrzyd¸em jest mniej-
sze niý pod nim Ð cignie to skrzyd¸o
w gr«, a wi«c daje si¸« noæn. Jeæli kt
natarcia jest zbyt duýy, to strumieÄ po-
wietrza nad skrzyd¸em nie moýe prze-
p¸ywa po jego powierzchni i odrywa si«
od skrzyd¸a, co powoduje znaczn utra-
t« si¸y noænej.
W jaki sposb oderwanie Ð z tak dra-
matycznymi konsekwencjami dla samo-
lotu Ð moýe pomc owadowi unosi si«
w powietrzu? Odpowied ma zwizek
z szybkoæci ruchu skrzyde¸ owada. Ode-
rwanie nie pojawia si« natychmiast Ð
przep¸yw, ktry daje si¸« noæn, zmie-
nia swj charakter dopiero po pewnym
czasie od zmiany kta natarcia. Na po-
cztku fazy oderwania si¸a noæna nawet
chwilowo wzrasta w wyniku powstania
MAüA PR¢DKOå
SIüA
NOåNA
WIR NA
KRAW¢DZI
NATARCIA
SKRZYDüO SAMOLOTU wytwarza si¸«
noæn, wykorzystujc aerodynamik«
ustalon
(rysunek grny)
. Przep¸yw
powietrza nad skrzyd¸em jest szybszy
niý pod nim, co daje obszar obniýo-
nego ciænienia i si¸« skierowan ku g-
rze. Jeæli kt natarcia jest zbyt duýy
(ry-
sunek dolny)
, na skrzydle nast«puje
oderwanie. Kiedy si« ono zaczyna, na
przedniej kraw«dzi natarcia tworzy si«
wir o duýej pr«dkoæci ruchu powietrza,
a to na chwil« zwi«ksza si¸« noæn. Wir
ten oddziela si« jednak szybko od skrzy-
d¸a i w efekcie si¸a noæna znacznie si«
zmniejsza.
MODEL JAK ûYWY
ABY ZDOBY INFORMACJE
, jak ruch skrzy-
de¸ muszki owocowej generuje si¸« no-
æn, w 1992 roku zbudowa¸em wraz z
Karlem Gtzem (obaj pracowaliæmy
wwczas w Max-Planck-Institut fr bio-
logische Kibernetik w Tybindze) model
skrzyd¸a w postaci ¸opatki o rozmiarach
5 na 20 cm, poruszanej za pomoc kil-
ku silnikw w duýym zbiorniku z g«-
stym roztworem cukru. Duýe rozmiary
skrzyde¸, ma¸a pr«dkoæ ich ruchu oraz
duýa lepkoæ p¸ynu pozwoli¸y nam uzy-
ska tak sam liczb« Reynoldsa, a wi«c
takie same w¸aæciwoæci fizyczne, jak
w przypadku ruchu skrzyde¸ muszki
w powietrzu.
Nasze skrzyd¸o zaopatrzyliæmy w czuj-
nik umoýliwiajcy pomiar si¸y noænej
i si¸y oporu powstajcych podczas ru-
chu skrzyd¸a w lepkim p¸ynie. Na koÄ-
cach skrzyd¸a umieæciliæmy p¸ytki brze-
gowe, ktre uniemoýliwia¸y przep¸yw
34
åWIAT NAUKI
SIERPIEÁ 2001
[ Pobierz całość w formacie PDF ]