Противоречит ли законам физики полёт шмеля?

 

История о том, что шмель летает вопреки законам физики, возникла в 1930-х годах из-за попытки применить к насекомому уравнения стационарной аэродинамики, используемые для расчета жестких крыльев самолетов. Математик Андре Сент-Лагю и биолог Антуан Маньян подсчитали, что при заданном весе и площади крыльев шмель не способен создать достаточную подъемную силу для взлета. Но как же тогда он летает ?

Проблема заключалась в том, что классическая авиамодель рассматривала крыло как неподвижный профиль в ламинарном потоке воздуха, полностью игнорируя специфику махового полета.

Реальный механизм полета шмеля был детально изучен лишь в конце XX века с помощью высокоскоростной съемки и компьютерного моделирования. Выяснилось, что насекомое использует нестационарную аэродинамику.

Вместо того, чтобы опираться на ровный поток воздуха, крылья шмеля при каждом взмахе генерируют мощные переднекромочные вихри (Leading Edge Vortices). Эти вихри создают область крайне низкого давления непосредственно над крылом, которая «всасывает» насекомое вверх, обеспечивая до 30% дополнительной подъемной силы, недоступной для самолетов с фиксированным крылом.

Кроме того, крыло шмеля обладает высокой степенью деформации. Оно не просто двигается вверх-вниз, а совершает сложные вращательные движения (инверсию) в крайних точках взмаха. Это позволяет использовать энергию вихрей, созданных при предыдущем движении. Частота взмахов достигает более 200 Гц и обеспечивается асинхронными мышцами, которые способны сокращаться многократно в ответ на один нервный импульс.

Таким образом, полет шмеля не нарушает законы физики, а является сложным примером биомеханической оптимизации.

#физика #насекомые #аэродинамика #шмель

Шмели (лат. Bombus) — род перепончатокрылых насекомых из семейства настоящих пчёл (Apidae), во многих отношениях близкий медоносным пчёлам.

Около 300 видов шмелей обитают в Северной Евразии, Северной Америке, Южной Америке, Северной Африке, а также в горах некоторых других регионов. Отличительные черты этого рода от других из семейства настоящих пчёл следующие: задние голени самки снаружи блестящие, полированные, слегка вдавленные, по краям с длинными волосками, которые образуют собирательный аппарат, так называемую «корзиночку»; шестой стернит брюшка самки, не уплощённый по бокам; брюшко не подогнуто на вершине; гениталии самца сильно хитинизированные, тёмные.

Особенности строения и физиологии

Голова шмеля

Шмель на цветке шафрана, в его пыльце

Средних и крупных размеров перепончатокрылые; самка длиной от 13 до 28 мм, а самец — от 7 до 24 мм.

Шмели — одни из самых холодостойких видов насекомых: они способны, быстро и часто сокращая мышцы груди, ускоренно разогреть своё тело до необходимых 40 °C. Это позволяет им вылетать рано утром и собирать первый нектар, когда воздух ещё недостаточно прогрелся. К тому же быстрое повышение температуры тела даёт шмелям определённое конкурентное преимущество перед другими видами насекомых.

Окраска

Окраска шмелей, как правило, жёлто-чёрная, часто в полоску. Кроме того, встречаются виды шмелей с красными или оранжевыми полосами, а некоторые виды окрашены в сплошной чёрный цвет. Предполагается, что окрас шмелей связан с необходимостью баланса между мимикрией (маскировочной или предупреждающей) и терморегуляцией.

Самка

Голова самки слегка удлинённая, широко закруглённая на затылке. Верхняя губа прямоугольная, жвалы сильноизогнутые, при сближении перекрываются, наружная их поверхность с тремя выпуклыми бороздками. Брюшко не подогнуто на вершине, шестой брюшной стернит всегда без валиков по бокам. Наружная поверхность задних голеней блестящая, гладкая и образует «корзиночку» для сбора пыльцы — площадку, окружённую жёсткими прямыми волосками.

Самец

Голова самца треугольная или почти округлая, с тонкой пунктировкой, которая особенно заметна на лицевой части и темени. Скапус равен трети или половине длины жгутика усиков.

Брюшко не подогнуто на вершине, второй стернит брюшка без срединного возвышения. Гениталии сильно хитинизированные, тёмно-коричневые. Задние голени обычно расширены на вершине, наружная поверхность варьируется по выпуклости и густоте опушения (дистальная треть обычно гладкая и менее волосистая, слегка блестящая).

Жало

Матка шмеля и рабочие шмели могут жалить. Шмели не агрессивны, но могут жалить при защите своего гнезда, либо если им был причинён вред. В отличие от пчелиного, жало шмеля не имеет зазубрин, поэтому насекомое может многократно применять его, не причиняя себе вреда; по этой же причине после укола жало не остаётся в ране. Внутри жало шмеля пустотелое, и при ужалении шмель впрыскивает небольшое количество яда, тремя основными компонентами которого являются бомболитин (основной компонент), фосфолипаза A2, сериновые протеазы.

Развитие

Личиночных стадий четыре. Личинки развиваются от 10 до 14 дней, затем они плетут шёлковый кокон, где будут окукливаться. Куколка развивается 14 дней. Итого развитие инфраимагональных стадий продолжается 4—5 недель, в зависимости от температуры окружающей среды и достатка пищи.

Поведение

Шмели — общественные насекомые. У них имеется разделение самок на более крупных плодящих маток и мелких бесплодных рабочих, выполняющих все основные работы в гнезде. Обычно в крупных шмелиных гнёздах бывает 100—200 особей. Они ведут себя почти неагрессивно; перед тем, как ужалить, придавленный шмель сначала жужжит.

Шмели-кукушки (около 30 видов) отличаются паразитическим образом жизни и ранее выделялись в отдельный род Psithyrus (ныне подрод в составе рода Bombus).

Шмели также способны к вибрационному опылению, при котором они выбивают пыльцу из пыльников, создавая резонансную вибрацию с помощью своих летательных мышц.

Шмель, сидящий на цветке иван-чая.

Гнездо

Гнездо (бомбидарий) устраивают в почве, подстилке, дуплах, брошенных гнёздах грызунов или птиц.

Некоторые виды (Pollen-stores) откладывают пыльцу в ячейки, отделённые от пакета с личинками (Bombus lapidarius, terrestris, lucorum, pratorum, jonellus, lapponicus, soroensis, cullumanus), другие (Pocket-makers) делают их рядом, прикрепляя к кластеру с личинками. Эта вторая группа кладёт яйца либо (Pollen-primers) в ячейки с пыльцой (ruderatus, hortorum, latreillellus, distinguendus), либо (Carder-bees) прямо на земляное дно гнезда (agrorum, muscorum, sylvarum, derhamellus, helferanus).

Экологическая роль

Шмелям принадлежит большая роль в опылении различных растений и сельском хозяйстве, так как их опыление увеличивает урожайность сорока сельскохозяйственных культур. Наиболее известными сельскохозяйственными культурами, опыляемыми шмелями, являются фасоль, яблоки, клевер, рапс, масличный рапс и земляника.

Значение 

Шмели имеют хозяйственное значение как опылители. Для опыления овощей в теплицах и оранжереях могут быть использованы шмелиные семьи.

Палеонтология

Самые ранние достоверные ископаемые окаменелости рода Bombus датируются миоценом (20—10 млн лет). Известны и более ранние находки, но они описаны недостаточно подробно, например, датированные олигоценом (33—23 млн лет) и эоценом (флориссант США, 37—33 млн лет), поэтому их отнесение к шмелям условно и время возникновения группы пока точно неизвестно. Окаменелость шмеля — очень редкая находка, поскольку такому большому насекомому очень сложно попасть в смолу и оказаться полностью окутанным ею, чтобы отвердеть в янтаре. Находки указывают на то, что Азия была местом, где впервые появились шмели, и до сих пор в этой части света обитает наибольшее разнообразие шмелей. Вероятно, они распространялись на запад Азии, через Европу в Северную Америку и в конце концов — в Южную Америку.

Ископаемый шмель †Bombus cerdanyensis Dehon et al., 2014 (~10 млн лет, миоцен, Испания)

Ископаемый шмель †Bombus trophonius (миоцен, Чехия)

Шмель в геральдике

Изображение шмеля на гербе коммуны Хуммельталь в Баварии, ФРГ

Изображение шмеля на гербе волости Хуммули (Эстония)