PROTOTYP LATAJŃCEGO ROBOTA budują naukowcy w Vanderbilt
School of Engineering s Center for Intelligent Mechatronics. Jego dzia"a-
nie bdzie oparte na zjawiskach aerodynamicznych, które są wykorzysty-
wane przez owady, a nie na tych, dziki którym latają samoloty.
Tajemnice
lotu
owadów
ZWIERZóTA TE, ABY UTRZYMA SIó W POWIETRZU, WYKORZYSTUJŃ
KOMBINACJó WIELU ZJAWISK AERODYNAMICZNYCH
MICHAEL DICKINSON
Zdjcia: Timothy Archibald
zbiorniku zawiera- Wraz ze swym zespo"em badawczym ków, jak i wp"ywu na Ęrodowisko. Ten
jącym dwie tony zbudowa"em ten nietypowy zestaw do- niezwyk"y sukces zawdziczają wielu
oleju mineralnego Ęwiadczalny, by wyjaĘni podstawy fi- cechom, a umiejtnoĘ latania jest jed-
dwa mechaniczne zyczne unoszenia si w powietrzu ma- ną z najwaŻniejszych. ZdolnoĘ lotu
skrzyd"a porusza- lełkiej muszki owocowej (Drosophila umoŻliwia owadom zasiedlanie nowych
ją si bardzo po- melanogaster). Muszka nie ma najmniej- terenów, poszukiwanie poŻywienia na
woli tam i z po- szego pojcia o aerodynamice, wytwa- rozleg"ym obszarze, a nawet migracj
wrotem, potrzebu- rzaniu wirów, opóęnionym oderwaniu, do rejonów o cieplejszym klimacie ze
jąc aŻ pi sekund na jeden okres ru- cyrkulacji ani wychwyceniu Ęladu; ona zmianą pór roku. Jednak lot to nie tylko
chu. Napdzane szeĘcioma sterowany- tylko korzysta z praktycznych konse- sposób przemieszczania si wiele owa-
mi komputerowo silnikami wzbudzają kwencji tych zjawisk 200 razy na sekun- dów wykorzystuje akrobacje powietrzne
w cieczy wiry, dobrze widoczne dziki d, gdy macha skrzyd"ami w gór i w do polowania, obrony swego terytorium
milionom powsta"ych w niej banieczek dó". Jej mechaniczny model, który na- i zdobywania partnerów. W trakcie ewo-
powietrza (zbiornik przypomina wic zwaliĘmy robomuchą, naĘladuje ruch lucji nastpowa"a selekcja pod kątem
gigantyczny kufel piwa, w którym trze- skrzyde" owada, lecz jest od niego 100 bardziej wszechstronnych i wydajniej-
pocze si mechaniczna mucha o 60-cen- razy wikszy i porusza skrzyd"ami 1000 szych technik lotu, dziki czemu budowa
tymetrowej rozpitoĘci skrzyde"). Sce- razy wolniej. Nie czuliĘmy si na si"ach, owadów jest doskona"a. Mają one bar-
n rozjaĘniają b"yski zielonego Ęwiat"a by bada ruch Żywego owada, niezwykle dzo czu"e narządy wchu i czsto do-
laserowego, a specjalne kamery wideo szybkiego i malełkiego, mamy nato- skona"y wzrok oraz potŻne miĘnie
rejestrują tory po"yskujących, wirują- miast nadziej, Że robomucha umoŻli- wszystkie te cechy są w jakiĘ sposób
cych pcherzyków powietrza. Si"y dzia- wi nam zrozumienie zawi"oĘci aerody- związane z umiejtnoĘcią lotu. Jednak
"ające na skrzyd"a ze strony cieczy są namiki, dziki której owady latają. do niedawna w naszej wiedzy o locie
rejestrowane przez przymocowane do Owady dominują na naszej planecie owadów istnia"a dotkliwa luka: naukow-
nich czujniki. zarówno pod wzgldem liczby gatun- cy mieli k"opoty z wyjaĘnieniem na grun-
SIERPIEĄ 2001 WIAT NAUKI 31
wielkoĘci kciuka, które mog"yby by przy-
datne w pracach poszukiwawczych i ra-
towniczych, monitorowaniu Ęrodowiska,
nadzorze powietrznym, wykrywaniu min
i badaniu planet. Zbudowano juŻ mode-
le samolotów wielkoĘci ptaka, ale niko-
mu nie uda"o si jeszcze skonstruowa
latającego modelu samolotu wielkoĘci
muchy. Owady machają skrzyd"ami nie
dlatego, Że nie wykszta"ci"y w trakcie ewo-
lucji Ęmigie", przek"adni i turbin, lecz dla-
tego Że z powodu lilipucich rozmiarów
muszą korzysta z innych zjawisk aerody-
namicznych. By moŻe przysz"e roboty
wielkoĘci owadów bdą zawdzicza"y
zdolnoĘci aerodynamiczne swoim natu-
ralnym odpowiednikom.
ROZMYTY OBRAZ SKRZYDE
DLA KADEGO OBSERWATORA jest oczywi-
ste, Że pozostający w zawisie owad, któ-
rego skrzyd"a wida jedynie jako plam,
lata zupe"nie inaczej niŻ samolot. Skrzy-
d"a owada nie tylko poruszają si w gó-
r i w dó" jak "opatki na zawiasach ko-
niec kaŻdego skrzyd"a zatacza wyd"u-
Żony owal nachylony wzgldem pionu.
Ponadto skrzyd"a obracają si w czasie
kaŻdego cyklu: ich wierzchnia strona
ROBOMUCHA PORUSZAJŃCA POWOLI SKRZYDAMI w lepkim oleju mineralnym symuluje szyb-
jest górną przy ruchu w dó", potem
ki ruch skrzyde" muszki owocowej w powietrzu. OĘwietlenie wiązkami Ęwiat"a laserowego cieczy
zawierającej bąbelki powietrza pozwala na obserwacj przep"ywów wytwarzanych w cieczy, a czuj- skrzyd"a obracają si i przy ruchu w gó-
niki na skrzyd"ach na rejestracj generowanych si".
r jest ona stroną dolną.
Na początku do badał z"oŻonego lo-
cie aerodynamiki natury si", dziki któ- oparty na stwierdzeniu, Że si"a noĘna tu owadów próbowano wykorzysta
rym owady utrzymują si w powietrzu. statku o skrzyd"ach tak ma"ych, jak konwencjonalną aerodynamik ustalo-
Problemy te sta"y si nawet tematem trzmiela i latającego tak wolno, jak ten ną, która tak dobrze sprawdza si w
popularnej anegdoty o pewnym uczo- owad, jest niewątpliwie duŻo mniejsza przypadku skrzyde" samolotów. Nie by-
nym, który udowodni", Że trzmiel nie od jego ciŻaru. "y to próby tak naiwne, jak nies"awne
moŻe lata czsto cytowanej na po- Od tamtego czasu inŻynierowie i ma- obliczenia si"y noĘnej trzmiela, gdyŻ
parcie tezy, Że warto czasem poda tematycy zdobyli wiedz teoretyczną uwzgldniano w nich zmian prdkoĘci
w wątpliwoĘ nawet najbardziej uznane z aerodynamiki, pozwalającą na zbudo- skrzyde" podczas ich ruchu w gór i w
dogmaty. Historyjka o trzmielu pochodzi wanie Boeinga 747 i samolotów typu dó". Wyobraęmy sobie, Że wybieramy
z 1934 roku z ksiąŻki entomologa Anto- stealth. I cho te statki powietrzne są pewne po"oŻenie skrzyde" w czasie ich
ine a Magnana, w której wspomina on o niezwykle skomplikowane, to w ich bu- ruchu i analizujemy sytuacj w tunelu
obliczeniach wykonanych przez jego dowie wykorzystywana jest g"ównie ae- aerodynamicznym dla prdkoĘci ruchu
asystenta, inŻyniera Andr Sainte-La- rodynamika ustalona: op"yw powietrza powietrza i orientacji skrzyd"a odpowia-
gu. Przedstawiony tam wniosek by" wokó" skrzyd"a i powstające dziki te- dających w"aĘnie temu po"oŻeniu skrzy-
mu si"y są sta"e w czasie. Lot owadów d"a w locie owada. W ten sposób moŻna
dlatego tak trudno opisa, bo machają wyznaczy si" dzia"ającą na skrzyd"o
MICHAEL DICKINSON rozpoczą" karier skrzyd"ami od 20 do 600 razy na sekun- w kaŻdej chwili.
naukową jako neurobiolog badający ko- d, a ponadto obracają je. Powstający Gdyby podejĘcie oparte na hipotezie
mórkowe podstawy zachował organizmów.
przy tym przep"yw powietrza wytwarza stanu ustalonego by"o prawid"owe, to
Mechaniką lotu zainteresowa" si, gdy zaj-
si"y aerodynamiczne zmienne w czasie, Ęrednia si"a otrzymana przez zsumowa-
mowa" si malełkimi czujnikami, które
trudne zarówno do analizy matematycz- nie si" wyznaczonych dla kaŻdej fazy ru-
mierzą wygicie skrzyd"a w czasie jego ru-
nej, jak i badał doĘwiadczalnych. chu w ca"ym cyklu powinna by skiero-
chu. Obecnie bada lot owadów w sposób
Poznanie tajemnic lotu owadów to nie wana do góry i równa ciŻarowi owada.
zintegrowany, wykorzystując narzdzia
tylko rozwiązanie starej zagadki naukowej Jeszcze pod koniec lat siedemdziesią-
i metody badawcze biologii, fizyki i nauk
moŻe mie równieŻ praktyczne zastoso- tych eksperci nie byli zgodni, czy tego
technicznych. Jest profesorem na Wydzia-
le Biologii Integracyjnej University of Cali- wania. Niedawno inŻynierowie zaczli rodzaju analiza pozwala wyjaĘni, dla-
fornia w Berkeley. myĘle o budowie latających robotów czego owady utrzymują si w powietrzu.
32 WIAT NAUKI SIERPIEĄ 2001
O AUTORZE
Na początku lat osiemdziesiątych Char-
les Ellington z University of Cambridge
przeanalizowa" dok"adnie wszystkie do-
stpne prace doĘwiadczalne i doszed"
do wniosku, Że hipoteza stanu ustalone-
go nie wyjaĘni powstawania si" niezbd-
nych do utrzymania si owada w locie.
W tej sytuacji z nowym zapa"em podj-
to badania przep"ywów nieustalonych,
które mog"yby wyjaĘni wiksze osią-
gnicia skrzyde" machających.
Rozk"ad prdkoĘci i ciĘnienia w p"ynie
opisuje równanie Naviera Stokesa sfor-
mu"owane na początku XIX wieku
(z punktu widzenia zjawisk aerodyna-
micznych powietrze jest p"ynem o bar-
dzo ma"ej gstoĘci). GdybyĘmy potrafili
rozwiąza to równanie dla porusza-
jących si skrzyde" owada, moglibyĘmy
otrzyma pe"ną charakterystyk aerody-
namiczną jego lotu. Niestety, z"oŻonoĘ
ruchu skrzyde" powoduje, Że zagadnie-
nie to jest zbyt trudne, by moŻna uzy-
ska jego rozwiązanie nawet przy uŻyciu MUCHA NA UWIóZI w komorze rzeczywistoĘci wirtualnej (na górze). Tysiące sterowanych kom-
puterowo zielonych diod dają musze z"udzenie ruchu otoczenia w zgodzie z jej manewrami.
najpotŻniejszych komputerów.
Do symulacji zwrotów i obrotów w locie swobodnym s"uŻy podobna komora na zawieszeniu
Skoro nie moŻemy rozwiąza zagad-
Cardana (na dole).
nienia, wykorzystując teori i komputer,
to moŻe uda si nam zmierzy si"y wy-
twarzane przez poruszające si skrzy-
d"a owada? Kilka zespo"ów badawczych
przystąpi"o do ciekawych i ambitnych
eksperymentów, wykazując wiele wy-
obraęni przy opracowywaniu nowych
metod badawczych, lecz naukowcy nie
zdo"ali wykona dostatecznie dok"ad-
nych pomiarów ze wzgldu na ma"e roz-
miary i duŻą prdkoĘ poruszania si
skrzyde" owadów.
Aby pokona tego rodzaju ogranicze-
nia, biolodzy zajmujący si badaniem
cech lokomocyjnych zwierząt wykorzy-
stują czsto modele budowane w okre-
Ęlonej skali jak inŻynierowie przy pro-
jektowaniu samolotów, statków i samo-
chodów. InŻynierowie budują zmniej-
szone modele pojazdów, a badacze lotu
owadów powikszają skrzyd"a i spowal-
niają ich ruch, by pomiary sta"y si "a-
twiejsze. Badania takich modeli dają
sensowne wyniki, jeĘli spe"niony jest wa-
runek dotyczący wartoĘci dwóch si" dzia-
"ających na cia"o w p"ynie: si"y pocho-
dzącej od bezw"adnoĘci p"ynu i od jego
lepkoĘci. Si"a bezw"adnoĘci to si"a po-
trzebna do przemieszczenia pewnej ma-
sy p"ynu; jest tym wiksza, im wiksza
jest gstoĘ p"ynu. LepkoĘ jest związa-
na z tarciem, które powstaje podczas ru-
chu sąsiednich obszarów p"ynu z róŻną
prdkoĘcią. To z powodu lepkoĘci trud-
OPÓŁNIONE ODERWANIE SIA NONA OD OBROTU
5
4
3
1 2
2
OBRÓT
1 SIA NONA
WIR NA
MUSZKA OWOCOWA wykorzystuje trzy
SKRZYDA
KRAWóDZI
UDERZENIE
róŻne zjawiska aerodynamiczne, by utrzy-
NATARCIA
SKRZYDA
ma si w powietrzu. Podczas uderzenia
skrzyde" do góry (1) na przedniej kraw-
WIR
dzi skrzyd"a tworzy si wir, co zwiksza ROZRUCHOWY
KŃT
si" noĘną. Zjawisko to nazywa si opóę-
NAPYWU
nionym oderwaniem, poniewaŻ jest zbyt
ma"o czasu, by wir oderwa" si od skrzy-
d"a, co zachodzi jednak na skrzydle sa-
molotu. W kołcowej fazie uderzenia (2,
3, 4) skrzyd"o si obraca daje to si"
noĘną, podobnie jak w przypadku pi"ki te-
nisowej zagranej podciciem. Na począt-
ku ruchu powrotnego (5) skrzyd"o prze-
chodzi przez Ęlad wirowy wytworzony
podczas poprzedniego uderzenia skrzyd"a
w przeciwnym kierunku. Jest ono wów-
czas ustawione tak, Że ten przep"yw powie-
trza wytwarza dodatkową si" noĘną ta-
kie odzyskanie energii nazywa si wy-
chwyceniem Ęladu.
no zamiesza syrop. W"aĘciwoĘci fizycz- p"ynu wzd"uŻ skrzyd"a oraz wokó" jego
ne zwierząt i ich modeli są podobne, je- krawdzi. Czsto tak si postpuje, pra-
Ęli taki sam jest w obu przypadkach sto- cując z prostymi modelami aerodyna-
SIA NONA
DUA PRóDKO sunek si"y bezw"adnoĘci do si"y lepkoĘci, micznymi dziki temu przep"yw zmie-
nazwany liczbą Reynoldsa. nia si efektywnie z trójwymiarowego
Liczba Reynoldsa roĘnie ze wzrostem na dwuwymiarowy. Jego analiza jest
d"ugoĘci i prdkoĘci cia"a oraz gstoĘci wic "atwiejsza, cho istnieje obawa, Że
p"ynu, a maleje ze wzrostem jego lepko- pomija si pewne waŻne zjawiska.
Ęci dynamicznej. Ruch duŻego, szybko Wyniki naszych doĘwiadczeł z mode-
poruszającego si samolotu odbywa si lem skrzyd"a, a takŻe prac w innych labo-
w warunkach odpowiadających liczbom ratoriach umoŻliwi"y odkrycie zjawiska,
Reynoldsa od 1mln do 100 mln. Owady które by moŻe pozwoli na rozwiązanie
MAA PRóDKO
są ma"e i latają wolno ich ruchowi od- zagadki ruchu owadów: opóęnionego
powiadają liczby Reynoldsa od 100 do oderwania. W przypadku samolotu ode-
SIA
NONA
1000, a dla najmniejszych owadów, jak rwanie wystpuje wtedy, gdy tzw. kąt na-
WIR NA
popularne szkodniki ogrodowe, przyl- tarcia jest zbyt duŻy (lotnicy nazywają to
KRAWóDZI
NATARCIA
Żełce, jest ona nawet mniejsza od 100. zjawisko przeciągniciem). Dla ma"ego
kąta natarcia strumieł powietrza dzieli
MODEL JAK YWY si przy zetkniciu ze skrzyd"em na dwa
ABY ZDOBY INFORMACJE, jak ruch skrzy- strumienie op"ywające skrzyd"o po gór-
de" muszki owocowej generuje si" no- nej i dolnej jego powierzchni. Strumieł
Ęną, w 1992 roku zbudowa"em wraz z górny porusza si szybciej, co powodu-
Karlem Gtzem (obaj pracowaliĘmy je, Że ciĘnienie nad skrzyd"em jest mniej-
wówczas w Max-Planck-Institut fr bio- sze niŻ pod nim ciągnie to skrzyd"o
logische Kibernetik w Tybindze) model w gór, a wic daje si" noĘną. JeĘli kąt
skrzyd"a w postaci "opatki o rozmiarach natarcia jest zbyt duŻy, to strumieł po-
5 na 20 cm, poruszanej za pomocą kil- wietrza nad skrzyd"em nie moŻe prze-
ku silników w duŻym zbiorniku z g- p"ywa po jego powierzchni i odrywa si
stym roztworem cukru. DuŻe rozmiary od skrzyd"a, co powoduje znaczną utra-
SKRZYDO SAMOLOTU wytwarza si"
skrzyde", ma"a prdkoĘ ich ruchu oraz t si"y noĘnej.
noĘną, wykorzystując aerodynamik
duŻa lepkoĘ p"ynu pozwoli"y nam uzy- W jaki sposób oderwanie z tak dra-
ustaloną (rysunek górny). Przep"yw
ska taką samą liczb Reynoldsa, a wic matycznymi konsekwencjami dla samo-
powietrza nad skrzyd"em jest szybszy
niŻ pod nim, co daje obszar obniŻo-
takie same w"aĘciwoĘci fizyczne, jak lotu moŻe pomóc owadowi unosi si
nego ciĘnienia i si" skierowaną ku gó-
w przypadku ruchu skrzyde" muszki w powietrzu? Odpowiedę ma związek
rze. JeĘli kąt natarcia jest zbyt duŻy (ry-
w powietrzu. z szybkoĘcią ruchu skrzyde" owada. Ode-
sunek dolny), na skrzydle nastpuje
Nasze skrzyd"o zaopatrzyliĘmy w czuj- rwanie nie pojawia si natychmiast
oderwanie. Kiedy si ono zaczyna, na
przedniej krawdzi natarcia tworzy si nik umoŻliwiający pomiar si"y noĘnej przep"yw, który daje si" noĘną, zmie-
wir o duŻej prdkoĘci ruchu powietrza,
i si"y oporu powstających podczas ru- nia swój charakter dopiero po pewnym
a to na chwil zwiksza si" noĘną. Wir
chu skrzyd"a w lepkim p"ynie. Na koł- czasie od zmiany kąta natarcia. Na po-
ten oddziela si jednak szybko od skrzy-
cach skrzyd"a umieĘciliĘmy p"ytki brze- czątku fazy oderwania si"a noĘna nawet
d"a i w efekcie si"a noĘna znacznie si
gowe, które uniemoŻliwia"y przep"yw chwilowo wzrasta w wyniku powstania
zmniejsza.
34 WIAT NAUKI SIERPIEĄ 2001
ILUSTRACJE: BRYAN CHRISTIE
WYCHWYCENIE LADU
3 4 5
LAD PO
POPRZEDNIM
UDERZENIU
krótkotrwa"ej struktury op"ywu, nazy- W po"owie lat dziewidziesiątych wy-
wanej wirem na krawdzi natarcia. Wir niki uzyskane z zastosowaniem uprosz-
Owady najwczeĘniej wykszta"ci"y
to specjalny przep"yw p"ynu, który wy- czonych modeli dwuwymiarowych zo-
zdolnoĘ aktywnego lotu.
stpuje w tornadach lub w wannie, kiedy sta"y uogólnione przez Ellingtona i jego
wypuszczamy z niej wod. wspó"pracowników w Cambridge na
WikszoĘ owadów ma dwie
Wir na krawdzi natarcia tworzy si przypadek trójwymiarowy. Badali oni du-
tuŻ ponad i za przednią krawdzią skrzy- Żą m z rodziny zawisakowatych, Man- pary skrzyde". Uwstecznione
d"a ma posta d"ugiego wiru walco- duca sexta, latającą na uwizi w tunelu
i przekszta"cone w tzw. przezmianki
wego o poziomej osi. Przep"yw powie- aerodynamicznym, a takŻe trójwymiaro-
tylne skrzyd"a much mają inną
trza jest tam bardzo szybki, co powoduje wą m-robota. Smugi dymu (z tzw. ge-
funkcj niŻ normalnie rozwinite
w rezultacie bardzo ma"e ciĘnienie, a neratora dymu) pozwala"y stwierdzi, Że
skrzyd"a przednie m.in. pe"nią
wic znaczną si" noĘną. Zjawisko to za- istotnie podczas ruchu skrzyd"a w dó" na
uwaŻyli juŻ brytyjscy inŻynierowie lot- jego krawdzi tworzy si wir. Zespó" El- rol malełkich czujników i dzia"ają
niczy na początku lat trzydziestych; trwa lingtona wysuną" hipotez, Że osiowy
jak Żyroskop, dostarczając owadowi
ono jednak zbyt krótko, by mog"o by strumieł powietrza p"ynący od nasady
informacji o jego po"oŻeniu
wykorzystane w wikszoĘci statków po- do kołca skrzyd"a, wspomaga to zjawi-
w powietrzu.
wietrznych. Wir bardzo szybko odrywa sko, gdyŻ zmniejsza wprawdzie natŻenie
si od skrzyd"a i gubi si w Ęladzie wiro- wiru, ale stabilizuje go, utrzymując przy
Do ruchu w powietrzu owad
wym samolotu, przy czym gwa"townie skrzydle aŻ do kołca ruchu w dó". Taki
spada si"a noĘna a wic i samolot. strumieł osiowy moŻe by szczególnie potrzebuje 10 razy wicej energii
Owad natomiast porusza skrzyd"ami tak silny w przypadku wikszych owadów,
na sekund niŻ do ruchu na ziemi.
szybko, Że zaraz je obraca i zaczyna ich jak duŻe my i waŻki, gdyŻ kołce ich
Jednak jeĘli chodzi o przebytą
ruch w drugą stron, przy czym powsta- skrzyde" pokonują duŻe odleg"oĘci.
drog, lot jest cztery razy bardziej
je nowy wir, o przeciwnym kierunku ob- ChociaŻ zauwaŻenie tego zjawiska
wydajny energetycznie niŻ ruch
rotu, zanim jeszcze poprzedni zaniknie. przyczyni"o si do rozwiązania waŻnej
czĘci uk"adanki, istnieją liczne wska- na ziemi. Latanie jest nie"atwą
zówki, Że prócz opóęnionego oderwa- sztuką, ale bardzo przydaje si
nia owady wykorzystują takŻe inne me-
zwierztom, które ją posiad"y.
chanizmy aerodynamiczne. Po pierwsze,
dodatkowa si"a noĘna pochodząca od
Owady mają najbardziej
opóęnionego oderwania jest wprawdzie
róŻnorodną struktur skrzyde"
dostatecznie duŻa, by da"o si wyjaĘni,
dlaczego owady utrzymują si w powie- spoĘród wszystkich
trzu, ale zbyt ma"a, by moŻna by"o uza-
zwierząt latających.
sadni fakt, Że wiele z nich moŻe unieĘ
ciŻar niemal równy swojej wadze. Po
MiĘnie wykorzystywane przez
drugie, w wielu badaniach mierzono si-
owady do lotu wykazują najwikszą
"y wytwarzane przez owady, przywiązu-
PRZEPYW POWIETRZA wokó" pi"ki tenisowej
szybkoĘ przemiany materii
jąc je do czu"ych czujników si"y. Wyniki
zagranej podciciem wytwarza si" noĘną. To sa-
tych pomiarów naleŻy interpretowa
ze wszystkich tkanek.
mo zjawisko wykorzystują owady, obracając skrzy-
d"a na kołcu kaŻdego uderzenia nimi. z duŻą ostroŻnoĘcią zwierzta na uwi-
SIERPIEĄ 2001 WIAT NAUKI 35
zi nie muszą zachowywa si dok"adnie twarzają si" noĘną na skrzydle trady-
tak samo, jak latające swobodnie wska- cyjnym. Zagranie podciciem pi"ki teni-
zują jednak one, Że zaleŻnoĘ si"y od cza- sowej [rysunek na stronie 35 na dole] po-
su nie odpowiada dok"adnie temu, co woduje, Że pi"ka si wznosi. Natomiast
przewiduje hipoteza opóęnionego ode- uderzenie topspinowe Ęciąga pi"k w dó".
rwania. Na przyk"ad pomiary si" wytwa- Skrzyd"o róŻni si bardzo od pi"ki, lecz
rzanych przez muszk owocową, prze- jego obrót powinien wytwarza pewną
prowadzone przez Gtza laserową dodatkową si" noĘną zgodnie z tymi sa-
metodą dyfrakcyjną, wykaza"y, Że naj- mymi zasadami ogólnymi.
wiksza si"a wystpuje przy ruchu skrzy- Aby sprawdzi t hipotez, obracali-
d"a w gór a wic w czasie, gdy si"a Ęmy skrzyd"o w róŻnych fazach jego ru-
pochodząca od opóęnionego oderwania chu. JeĘli obrót nastpuje na kołcu ude-
powinna by ma"a. rzenia skrzyd"a, to jego krawdę natarcia
W"aĘnie z myĘlą o poszukiwaniu in- obraca si do ty"u w stosunku do kierun-
nych zjawisk nieustalonych w 1998 ro- ku jego ruchu, wic powinna si pojawi
ku wraz z Fritzem-Olafem Lehmannem si"a unosząca skrzyd"o jak po zagraniu
i Sanjayem P. Sane em zbudowaliĘmy podciciem pi"ki tenisowej. Gdy natomiast
duŻy model muszki owocowej porusza- skrzyd"o wykona obrót póęniej, na po-
jący skrzyd"ami robomuch. Skrzyd"a czątku nastpnego uderzenia, to krawdę
robota o d"ugoĘci 25 cm, poruszające natarcia obraca si do przodu i powinna
si w gstym oleju mineralnym z picio- pojawi si si"a skierowana w dó" jak przy
sekundowym okresem, są zbliŻone dy- ruchu pi"ki po uderzeniu topspinowym.
namicznie do skrzyde" muszki owoco- Wyniki pomiarów dla robomuchy są ca"-
wej o d"ugoĘci 2.5 mm, poruszających kowicie zgodne z tymi przewidywania-
si w powietrzu z czstotliwoĘcią 200 mi, z czego wynika, Że w efekcie obrotu
cykli na sekund. BadaliĘmy dwie waŻ- skrzyde" powstaje znaczna si"a noĘna.
ne wielkoĘci si" aerodynamiczną wy- Zjawisko to nie pozwala jednak wy-
wieraną na skrzyd"a i op"yw p"ynu wo- jaĘni innej duŻej si"y pojawiającej si
kó" nich które są praktycznie nie- na początku ruchu skrzyd"a w gór
moŻliwe do wyznaczenia dla skrzyde" i w dó". Dodatkowe doĘwiadczenia po-
prawdziwej muchy. Cho robomucha zwoli"y stwierdzi, Że za te si"y odpo-
zosta"a zaprojektowana jako odpowied- wiedzialne jest zjawisko zwane wychwy-
nik muszki owocowej, to programując ceniem Ęladu, tzn. interakcji skrzyd"a ze
odpowiednio szeĘ silników, które na- Ęladem ciągnącym si za skrzyd"em po
pdzają oba skrzyd"a, da si odtworzy jego poprzednim uderzeniu.
ruch skrzyde" wielu innych owadów. Po- Za poruszającym i obracającym si
nadto moŻemy spowodowa, Że robo- skrzyd"em powstaje z"oŻony Ęlad wirowy
mucha bdzie macha skrzyd"ami w zawierający liczne wiry, podobnie jak
okreĘlony sposób, by móc testowa róŻ- kilwater za rufą "odzi. Gdy skrzyd"o za-
ne hipotezy, co jest luksusem nieosią- wraca, wchodzi w ten obszar zawiro-
galnym w doĘwiadczeniach z Żywymi wanego powietrza. lad wirowy niesie
zwierztami, które w warunkach labora- energi przekazaną mu przez owada,
toryjnych są zwykle doĘ kapryĘne. a wic w czasie interakcji skrzyd"a z tym
Ęladem owad ma okazj odzyska czĘ
WYNIKI DOWIADCZEĄ tej energii moŻna powiedzie, Że za-
GDY ROBOMUCHA porusza"a skrzyd"ami chodzi wtedy recykling energii. Aby
jak muszka owocowa, nasze pomiary si- sprawdzi hipotez interakcji ze Ęladem,
"y dawa"y zaskakujące wyniki. DuŻe,
krótkotrwa"e si"y wytwarzane by"y na
JELI CHCESZ WIEDZIE WIóCEJ
początku i na kołcu kaŻdego ruchu, co
nie daje si wyt"umaczy za pomocą zja-
The Biomechanics of Insect Flight: Form, Func-
wiska opóęnionego oderwania. Te duŻe tion, Evolution. Robert Dudley; Princeton Uni-
versity Press, 2000.
si"y pojawiają si przy zmianie kierunku
Mechanika lotu owadów a mikrosamoloty ro-
ruchu skrzyde", gdy skrzyd"a zwalniają
la modelowania op"ywu skrzyd"a owada. Jó-
i gwa"townie si obracają, wic ich po- zef Pietrucha i Krzysztof Sibilski; Prace Insty-
tutu Lotnictwa, nr 160, str. 55, 2000.
wstawanie moŻe by związane z obro-
Witryna internetowa zespo"u badawczego auto-
tem skrzyd"a.
ra artyku"u: socrates.berkeley.edu/~flymanmd/
Informacje o początkach historii o niemoŻnoĘci
Podczas ruchu w powietrzu obracają-
lotu trzmiela moŻna znaleę na stronie:
cych si obiektów powstają przep"ywy
www.math.niu.edu/~rusin/known-math/98/
powietrza podobne do tych, które wy- bees
ca"kowicie zatrzymaliĘmy skrzyd"o ro-
bomuchy na kołcu uderzenia. Okaza"o
si, Że nieruchome skrzyd"a by"y ęró-
d"em si"y, gdyŻ otaczający je p"yn wciąŻ
si porusza".
Cho wychwycenie Ęladu nastpuje
zawsze na początku ruchu skrzyd"a
w dó" lub w gór, to owad moŻe zmie-
nia wartoĘ i kierunek wytwarzanej
przy tym si"y przez odpowiedni dobór
chwili obrotu skrzyde". JeĘli obrót skrzy-
d"a nastpuje wczeĘniej, to ma ono ko-
rzystny kąt natarcia w chwili spotkania
ze Ęladem, co daje duŻą si" skierowa-
ną do góry. JeĘli natomiast skrzyd"o ob-
raca si póęniej, to interakcja ze Ęladem
jest ęród"em si"y skierowanej w dó".
Zjawiska te wychwycenie Ęladu i ob- MUCHA PLUJKA (Calliphora) w doĘwiadczeniu, w którym mierzy si aktywnoĘ elektryczną jej mi-
Ęni podczas ruchu skrzyde" w róŻnych fazach lotu.
rót skrzyd"a pozwalają równieŻ zrozu-
mie aerodynamik sterowania lotem:
jak owad zmienia kierunek ruchu. Za-
obserwowano, Że owady zmieniają chwi-
l obrotu skrzyde", gdy chcą skrci. Na
przyk"ad jeĘli jedno skrzyd"o obraca si
wczeĘniej, co zwiksza si" noĘną, a dru-
gie obraca si póęniej, co daje mniejszą
si" noĘną, to owad przechyla si i za-
krca w poŻądanym kierunku. Owady
dysponują wieloma rodzajami czujni-
ków oczami, przezmiankami (prze-
kszta"conymi i uwstecznionymi skrzy-
d"ami) dzia"ającymi jak Żyroskop i ca"ym
zespo"em czujników mechanicznych na
skrzyd"ach dziki czemu mogą precy-
zyjnie dobiera chwil obrotu, wartoĘ
maksymalnego wychylenia i inne para-
metry ruchu skrzyde".
NARZECZONY ROBOMUCHY
DZIóKI PRACY wielu badaczy spójna teo-
ria lotu owadów jest niemal gotowa, lecz
nie znamy jeszcze odpowiedzi na wszyst-
kie pytania. Istnieje wiele owadów o roz-
maitych kszta"tach, wielkoĘci i sposo-
bie zachowania si, od malełkich przyl-
PROTOTYP MIKROMECHANICZNEGO MODELU owada konstruowany w Robotics and Intelligent
Żełców do wielkich ciem, od owadów
Machines Laboratory w University of California ma mie parametry zbliŻone do muchy plujki.
o jednej parze skrzyde", jak muszka owo-
cowa, do siatkoskrzyd"ych, mających
dwie pary skrzyde", które poruszają si utrzymywania si owadów w locie, co by móg" lata po linii prostej i zatacza
z niepe"ną synchronizacją, i chrząszczy, jest najtrudniejsze do wyjaĘnienia, gdyŻ ko"a, dziki czemu bdziemy testowa
posiadających oprócz poruszających si owady nie mogą korzysta z si"y noĘnej hipotezy dotyczące mechanizmu wyko-
b"oniastych skrzyde" dwie nieruchome, pochodzącej od stacjonarnego przep"y- nywania przez owady zadziwiająco
twarde pokrywy skrzyd"owe stanowiące wu powietrza, jak samoloty. MoŻe jed- ostrych zwrotów za pomocą doboru pa-
na ziemi ich pancerz. Nikt nie wie, w ja- nak lecące owady wykorzystują inne zja- rametrów ruchu skrzyde". PoznaliĘmy
kim stopniu wyniki uzyskane dla musz- wiska aerodynamiczne, by wytworzy juŻ z grubsza podstawowe sztuczki sto-
ki owocowej moŻna zastosowa do opi- dodatkową si" noĘną? Wielu badaczy sowane przez owady do utrzymania si
su ruchu takiego mnóstwa innych szuka odpowiedzi na to intrygujące py- w powietrzu, ale prawdziwa zabawa do-
owadów. tanie. Na przyk"ad mój zespó" buduje piero si zaczyna.
W przeprowadzonych dotychczas ba- teraz nastpc robomuchy, który zosta-
T"umaczy"
daniach skupiono si na zagadnieniu nie umieszczony w tak duŻym zbiorniku, Miros"aw ukaszewski
SIERPIEĄ 2001 WIAT NAUKI 37
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Jack London Mistrz TajemnicyKto nie chce poznać tajemnicy Smoleńska Nasz DziennikTAJEMNICA DOGONÓWNiznikiewicz Jan Tajemnice starozytnej medycyny cz IAndrzej Pilipiuk Tajemnica wody (2)Wyspa tajemnic Shutter Island (2010) bWielka samochodowa tajemnicao tajemniczy plomieniuTAJEMNICA WIEŻY NA POLIGONIEwięcej podobnych podstron