Полет шмеля и наука.

Занудно, разумеется.

Прочел пост Игоря Волкова "Невозможное".  В комментариях попалось вот такое высказывание:

"Шмель с точки зрения физики не должен летать, но он летает. Поэтому невозможного нет, просто нужно найти способ сделать невозможное возможным."

Высказывание о бедном трудоголике, который летать ну никак не должен с точки зрения физики (а, стало быть, и физиков) встречается часто. Иногда шмеля заменяют майским жуком. С далекого детства повсюду - от научно-популярных книг до высказываний лиц, демонстрирующих эрудицию,  встречается упоминание о том, что

"В космическом научном центре НАСА висит плакат с пчелами, на котором написано:

"Аэродинамическое тело шмеля не приспособлено летать, но хорошо, что шмель об этом не знает". "

Не знаю, висело ли оно, но, если так, то сейчас точно не висит.  

Есть рассказы, в которых говорится о том, что в конце двадцатых, начале тридцатых годов величайший авторитет в вопросах гидроаэродинамики Людвиг Прандтль, читая в Геттингене лекции студентам и разговаривая с учеными, говоря о несовершенстве знаний в области этой науки, упоминал, что вот полёт шмеля, или, к примеру, майского жука, пока необъясним.

Антуан Маньян, французский учёный, зоолог,  интересовался насекомыми и биомеханикой их полета. Читал лекции в в Коллеж де Франс , директором лаборатории экспериментальной морфологии и авиационной лаборатории в Практической школе высоких исследований в Париже.  Поскольку математиком не был, то решил привлечь для рассчетов полета шмеля математика Сент-Лагю, к аэродинамике никакого отношения не имевшего - он работал в области теории графов. Тем не менее, детально ознакомившись с этой областью, Сент-Лагю составил математическую модель на основе рассчетов аэродинамики крыла самолета, исходя из того, что крыло у шмеля гладкое, жесткое и полет совершается как у самолета. Вывод был однозначен:

"максимально возможная подъёмная сила, генерируемая крыльями летательного аппарата таких же маленьких размеров, как и крылья шмеля, и с таким же медленным движением, как движение пчелы во время полёта, была бы намного меньше массы самой пчелы".

Т.е. не может шмель полет осуществлять. Проведенные расчеты не давали права летать и жукам, стрекозам и т.д. и т.п.

В 1934-м году вышла книга Антуана Маньяна "Le Vol des Insectes" ("Полёт насекомых").

В предисловии автор писал:

"Tout d'abord poussé par ce qui se fait en aviation, j'ai appliqué aux insectes les lois de la résistance de l'air, et je suis arrivé avec M. Sainte-Laguë à cette conclusion que leur vol est impossible."

Что можно перевести как :

"Руководствуясь прежде всего тем, что делается в авиации, я применил к насекомым законы сопротивления воздуха и пришел вместе с г-ном Сент-Лагю к выводу, что их полет невозможен."

Сент-Лагю прекрасно понимал - раз насекомые летают, то это противоречит не законам физики и аэродинамики, а только той модели, которую учёные применяли к изучению механики полёта шмеля  в 1930-е. Проблема  заключается не в том, что учёные не правы, а в том, что существовало значительное различие между физическими  принципами полета насекомых и математической моделью, основанной на существующих  знаниях.Сент-Лагю и другие ученые писали об этом.Но было уже поздно - в самые широкие народные и околонаучные массы проникла идея о бессилии науки перед тайною полета шмеля. Как и жука майского. Но жук летает несколько дней, а шмеля можно увидеть часто. И существует эта идея до сих пор.

Но наука рано или поздно решает загадки, превращая их в знания.

Дело в том, что роль крыльев насекомых в полете сложнее роли крыльев самолета, и теория, применительная к аэродинамике крыла самолета, слишком проста для использования рассчета аэродинамики насекомых.

Совершенствовались технологии и аппаратура, позволявшие лучше изучить процесс полета биологам, включая биомеханику и то, что происходит с крылом, как и те физические  процессы, что продекают вокруг самого крыла.

Упрощенно можно сказать, что шмель не летит, а плывёт в воздушных потоках с завихрениями (турбулентностью).Он загребает крыльями воздух и создаёт эти вихри.Принцип полёта другой, чем у самолёта, устройства с неподвижными крыльями.. Турбулентность на крыльях для самолёта крайне не желательна и может привести к падению. Для борьбы с ней создано множество устройств, например закрылки, которые при взлёте не дают сорваться потоку с крыла и завихрениям.

Шмель же с точки зрения самолётостроения не только летит в турбулентном потоке, он всегда создаёт вихри крыльями, за счёт этих возмущений и происходит полёт. Уравнения полета устройства с машущими крыльями гораздо сложнее, для того, чтобы применить их конкретно к шмелю, требовалось сначала точно узнать траекторию движения его крыльев, а также "увидеть" возникающие при этом воздушные вихри, что было невозможно без скоростной видеосъемки. Всё это было проделано, собран огромный массив информации. К середине 90-х годам стал понятен принцип происходящего и разработана качественная теория.

Позже компьютерное моделирование быстро колеблющихся крыльев и сложных движений жидкостей доказало, что полет насекомых соответствует физическим принципам аэродинамики и гидродинамики.

В двухтысячном году после обсчета на суперкомпьютере в течении нескольких сотен часов (кстати, это время сильно превысило то, что потребно для такого же суперкомпьютера для рассчета  моделирования взрыва ядерного боеприпаса, которым сейчас заменяют испытание - если верить сообщениям) получили впервые удовлетворительную матмодель полета шмеля.

Зачем и кому это нужно? Когда правила полета насекомых были определены количественно, конструкции жукоподобных устройств практически любого размера и их полета начали просчитывать на компьютере. Различные конструкции  виртуально зависали, летали задом наперед и выполняли акробатические маневры в полном соответствии с принципами динамики нестационарной вязкой жидкости. Проделывают это и сейчас. Появились данные о том, что на основе этой матмодели (и более поздних и совершенных, конечно) были созданы экспериментальные модели дронов, использующих принципы полета шмеля, стрекозы, майского жука... Как говорят, перспективные модели нового поколения, имеющие массу преимуществ по многим параметрам в сравнении с существующими дронами...

Кто знает, может где-то уже и не модели существуют.