Как летают насекомые. Как летают насекомые Причина отравления вод океана

В данной книге школьник и юный натуралист найдут материал для внеклассного чтения, а также дополнительный и справочный материал к учебнику зоологии.

Отдельные очерки не связаны между собой, поэтому не обязательно читать всю книгу подряд.

Книга знакомит читателя с разнообразием животного мира СССР и зарубежных стран. Попутно приводятся сведения о значении животных в природе, хозяйственной деятельности человека.

Часть материала изложена в форме вопросов и ответов. Раздел «Рассказы о насекомых» написан кандидатом биологических наук Ю. М. Залесским.

В третьем издании текст местами изменён и дополнен; внесены необходимые исправления, добавлено несколько новых рисунков. Глава «Зоология в вопросах и ответах» дополнена новыми вопросами; порядок их распределения изменён в соответствии с зоологической системой.

Я. Цингер

Книга:

Как летают насекомые

<<< Назад

Вперед >>>

Как летают насекомые

Большинство населяющих Землю насекомых имеет крылья. Правда, крыльями обладают только насекомые на взрослых стадиях развития. Как известно, ни личинки, ни нимфы, ни куколки не летают. У одних насекомых, как например у стрекоз, бабочек, перепончатокрылых, жуков - четыре крыла, у других: мух, комаров, некоторых подёнок - два крыла. Каждое насекомое имеет свои особенности полёта, каждое летает по-своему, но у многих из них есть общее в полёте. Прежде всего в основе их полёта лежит взмах крыльями - полёт машущий.

Наиболее простым взмахом крыльев обладают подёнки - они взмахивают каждым крылом сверху вниз и лишь немного ставят его под углом к набегающему навстречу потоку воздуха. Наиболее сложным взмахом крыльев обладают двукрылые (комары и мухи), а также перепончатокрылые (пчёлы , осы, крылатые особи муравьёв). Крылья их взмахивают так, что конец каждого крыла, если насекомое неподвижно, описывает в воздухе восьмёркообразную кривую. Взмахивая вниз, крыло в начале взмаха расположено почти горизонтально. Опускаясь вниз, оно одновременно заносится вперёд, а внизу переворачивается так, что, поднимаясь вверх, уже своим передним краем идёт вверх и назад. Такие взмахи повторяются с большой частотой. Каждое крыло работает, как пропеллер.

Стрелки указывают направление движения: А - опускание крыла (V положение изображено пунктиром); Б - поднимание крыла (положение I изображено пунктиром).

Внизу - те же положения крыла на синусоиде. Точка - передний край крыла, черта - пластинка крыла.

Такую восьмёрку можно наблюдать только у неподвижно закреплённого насекомого, когда оно взмахивает крыльями. При полёте же, когда насекомое движется вперёд, эта восьмёрка растягивается и конец крыла описывает волнообразную кривую (синусоиду).

У перепончатокрылых - четыре крыла, но переднее и заднее крылья каждой стороны тела соединены в полёте особой зацепкой из крючков, так что правая и левая пары крыльев действуют вместе как одно крыло.

Управление в полёте у насекомых достигается почти исключительно крыльями. Изменение направления плоскости взмахов крыльями сказывается на изменении направления полёта. Этим достигается изменение полёта на поступательное движение вперёд, назад, полёт на одном месте или висение в воздухе («стоячий» полёт), подъём вверх, повороты вправо и влево. Мухи - одни из самых поворотливых в полёте насекомых. Они часто делают резкие прыжки вбок. Достигается это внезапным выключением крыльев одной стороны тела - движение их на мгновение приостанавливается, тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается прыжок в сторону от первоначального направления полёта.

Пчёлы в полёте." class="img-responsive img-thumbnail">
Пчёлы в полёте.

Такие насекомые, как подёнки, могут также изменять направление полёта и слегка рулить, меняя положение брюшка и расположенных на его конце хвостовых нитей.

Насекомые, летая, очень часто машут крыльями, так часто, что отдельные взмахи крыльев человеческим глазом рассмотреть не удаётся. Мы часто можем слышать, как жужжат в полёте пчела или жук. Что значит это жужжание?

Звук - это колебания воздуха, которые мы улавливаем ухом. Чем чаще колебания воздуха, тем выше по тону звук. Навозный жук делает до 87 взмахов крыльями в секунду, звук, возникающий при этом, - жужжание сравнительно низкого тона. Комар, летая, производит крыльями до 594 взмахов в секунду, поэтому звук, возникающий в результате его полёта, такой высокий и напоминает писк.

Частоту взмахов крыльями можно определить по высоте производимого ими звука. Надо только учесть, что наиболее высокая нота соответствует удвоенному числу колебаний в секунду, так как каждый взмах крыла даёт две волны колебаний воздуха.

Так, например, у медоносной пчелы высокая нота соответствует 440 двойным колебаниям в секунду, т. е. 220 взмахам в секунду. И действительно, как показывают наблюдения, пчела производит в среднем около 260 взмахов в секунду.

Разные насекомые, летая, машут крыльями с различной частотой, причём у двукрылых и бабочек число взмахов увеличивается при повышении температуры воздуха, а у перепончатокрылых и жуков частота взмахов крыльев не зависит от температуры. Реже всего машут крыльями дневные бабочки. Махаон делает 5 взмахов в секунду, брюквенница - 6, а траурница - 10 взмахов в секунду. На расстоянии полуметра полёт бабочек кажется совсем беззвучным, однако если дневная бабочка пролетит у самого уха, то можно услышать звук очень низкого тона, производимый её крыльями. Ночные бабочки обычно машут крыльями чаще. Совки (рода агротис) делают 37–48 взмахов в секунду, а глазчатый бражник - 37–41 взмах.

Бражники, особенно небольшие языканы, производят низкое гуденье, слегка напоминающее жужжание шмеля.

Вверху - заметная волна, пробегающая по крыльям (по киносъёмке). Внизу - «стоячий» полёт бражника, сосущего нектар.

Шмель делает от 123 до 233 взмахов в секунду, а обыкновенная оса - 165–247. Комнатная муха делает 147–220 взмахов в секунду. Однако чаще всех машут крыльями комары-дергуны, которые иногда роями толкутся в воздухе. Их личинками часто кормят аквариумных рыб - это так называемый мотыль, ярко-красные подвижные червячки. Их рыболовы насаживают на рыболовный крючок, используя как наживку для ужения рыбы.

Дергун мохнатоусый делает от 196 до 494 взмахов в секунду, а другие представители этого большого семейства дергунов производят даже до тысячи взмахов в секунду.

Сколько энергии нужно затрачивать насекомым на полёт при взмахивании крыльями с такой частотой! Как часто сокращаются их мышцы! Однако опыты показали, что пчела, летая за взятком на расстояние 3 километра, расходует всего 0,00035 грамма сахара. Зобик пчелы содержит обычно 0,02 грамма нектара. При концентрации сахара в нём в 20 процентов это количество равно 0,004 грамма чистого сахара. Следовательно, даже при расстоянии в 3 километра полёт пчелы вполне рентабелен, так как расход сгорающего питания в виде сахара не превышает 9 процентов груза.

Если мы возьмём пчёл или шмелей и посадим их в инсектарий или большую стеклянную банку, затянутую сверху марлей, то часа через 2–2,5 они погибнут от голода, так как, летая, израсходуют все свои силы и весь запас питания. Если же мы посадим их в тесную коробку с дырочками, где они не смогут летать, насекомые проживут гораздо дольше и сохранят способность к полёту.

Если же при первом опыте мы будем их подкармливать, то они долгое время не погибнут. Полёт требует от насекомого большого расхода энергии.

Есть киноаппарат («лупа времени»), при помощи которого можно делать моментальные снимки с очень большой скоростью. Если снять летающих насекомых со скоростью 2000 или 3500 кадров в секунду, а затем просматривать на экране снятый фильм со скоростью 16 кадров в секунду, т. е. соответственно в 125 и 219 раз медленнее, то можно увидеть все движения крыльев насекомых и рассмотреть, как они летают.

Оказывается, полёт бабочек, особенно дневных, сильно отличается от полёта других насекомых. Правая и левая пары их крыльев при взмахах приближаются друг к другу над туловищем и под ним. Над спиной крылья даже часто полностью встречаются и иногда ударяются друг о друга, издавая звук. Крылья правой и левой стороны взмахивают одновременно, так как переднее и заднее соединены друг с другом и обычно для этой цели обладают специальной зацепкой. При сближении крылья сначала соприкасаются передними краями, а затем всей плоскостью. Благодаря этому крылья как бы выдавливают оказавшийся между ними воздух. То же происходит при встрече крыльев под телом при взмахе вниз. Кроме того, при таком замедленном просмотре скоростного фильма видно, как крылья бабочек плавно изгибаются, по их крыльям пробегает волна от переднего края к заднему, и они как бы плавают, медленно шевеля крыльями.

А - адмирал; Б - крапивница.

Стрекоза пользуется самыми различными приёмами в полёте; то она взмахивает попеременно передними и задними крыльями, то вдруг переходит на планирующий полёт на распростёртых неподвижных крыльях, то опять взмахивает крыльями, но на этот раз сразу вместе и передними и задними. Наблюдались случаи, когда стрекоза делала взмахи одной передней парой крыльев, держа спокойно распростёртой заднюю пару. Часто можно видеть, как стрекоза висит неподвижно в воздухе, как бы «стоит», взмахивая крыльями на одном месте. Стрекоза может также в полёте двигаться не только вперёд, но и назад, а, преследуя ускользающую добычу (мелких насекомых), может взмывать на короткое расстояние вверх почти вертикально.

Аэродинамикам известно явление, называемое фляттер . Это вредные колебания крыла в полёте, которые у скоростных самолётов могут достигать опасных размеров, так что крылья даже ломаются. Техники долгое время искали способы погашения этих вредных колебаний. Гибли модели новых испытываемых самолётов, погибали и лётчики-испытатели, но конструкторы долго не могли найти правильного решения задачи. Наконец, задача была решена: противофляттерное устройство было найдено. У передней кромки на конце каждого крыла делалось утяжеление (в простейшем случае запаивалась свинцовая гиря) - оно гасило вредные колебания.

Машущий полёт насекомых, и в частности полёт стрекоз, также обладает вредными колебаниями. Природа в течение веков вырабатывала приспособления для борьбы с фляттером. Это приспособление отчётливо выражено у большинства стрекоз. На каждом крыле в вершинной его части у переднего края имеется тёмное хитиновое утолщение - птеростигма, или крыловый глазок. Удаление этого глазка, не лишая стрекозу возможности летать, нарушает правильность колебаний крыла, стрекоза начинает как бы порхать. Опыты показали механическое значение этих образований, регулирующих колебания крыла. Глазок оказался приспособлением, избавляющим машущее крыло от вредных колебаний типа фляттер. Если бы это значение крылового глазка у стрекоз было бы известно раньше, чем техники изобрели противофляттерное устройство у самолётов, то, заимствовав его у насекомых, можно было бы избежать долгих поисков.

У жуков, когда они не летают, передние жёсткие крылья, или надкрылья, накрывают и защищают сложенные задние перепончатые крылья. Надкрыльями жуки почти не пользуются в полёте; надкрылья только слегка качаются в такт взмахам задних крыльев. В полёте надкрылья жуки держат под некоторым углом друг к другу - в виде латинской буквы V. Это обеспечивает поперечную устойчивость жуков в полёте, так же как V-образно приподнятые крылья у самолёта обеспечивают его устойчивость при поворотах. Когда самолёт поворачивает, он накреняется и ложится на одно крыло, другое при этом поднимается кверху. Набегающий на крыло воздух давит на его поверхность и возвращает к прежнему положению, выправляя самолёт.

Жуки из семейства бронзовок летают со сложенными надкрыльями, выставляя из-под них перепончатые крылья. Полёт бронзовок обладает большой маневренностью.

Самой большой скоростью полёта обладают бабочки-бражники и слепни : они развивают скорость от 14 до 15 метров в секунду. Стрекозы летают со скоростью 10 метров в секунду, жуки-навозники - до 7 метров в секунду, майские жуки - до 3 метров в секунду, пчёлы - до 6,7 метра в секунду.

Однажды наблюдали, как крупная стрекоза не отставала от самолёта, летевшего со скоростью 144 километра в час, и временами даже обгоняла его.

Скорость полёта насекомых в сравнении с птицами мала. Если шмель делает 18 километров в час, то ворона - 50 километров, скворец - 70, а стриж - 100 километров. Рекордная скорость винтомоторного самолёта - 900 километров в час.

Однако если подсчитать, с какой скоростью двигаются вперёд шмель, стриж, скворец, ворона и самолёт на расстояние, равное длине собственного тела, то оказывается, что относительная скорость будет меньше всего у самолёта и больше всего у насекомых.

<<< Назад

Вперед >>>

), что даёт ключ к аэродинамике насекомых в целом. О прорыве сообщили Джон Янг (John Young) из университета Нового Южного Уэльса (UNSW), и команда зоологов из Оксфорда (University of Oxford).

Учёные использовали высокоскоростные цифровые видеокамеры, чтобы заснять движение саранчи в аэродинамической трубе. Исследователи анализировали происходящую в полёте деформацию, создав на основе подробной кинематики крыла трёхмерную модель гидродинамического процесса.

Крылья насекомых, как известно, — сложные структуры, имеющие множество выпуклостей, впадин и покрытые сверх того различными прожилками и морщинками микроскопических размеров. Но до сих пор было не вполне ясно, какую роль играют все эти особенности.

Потому на втором этапе исследования учёные имели дело с саранчой уже виртуальной, последовательно удалив с её крыльев вначале мелкие детали рельефа, а затем сгладив и сам необычный изгиб крыльев. Опыт показал, что мелкие детали не вносят в картину обтекания заметных перемен, а вот сама форма крыла как раз делает полёт насекомого столь эффективным. Саранча, изменённая на компьютере, существуй она в реальности, была бы куда более энергоёмкой и медленной.

Биологические системы оптимизировались путём давления эволюции в течение миллионов лет, они предлагают много примеров результативности, которые намного превосходят всё то, чего мы можем достичь искусственно. До недавнего времени у нас не было технической возможности измерить фактическую форму крыльев насекомого в полёте – отчасти из-за скорости движения, отчасти из-за объёмности самой задачи. Но теперь этот вопрос решён».

Саранча – насекомое, чрезвычайно интересное для инженеров из-за его способности к перелёту на огромные расстояния при весьма ограниченном запасе энергии. Другой занимательный персонаж в этой области – шмель. Мохнатые насекомые порой демонстрируют

Тончайшие детали строения крыла насекомых говорят об их поразительной приспособленности к высшему пилотажу. Ученые теперь смогли понять какие крылья бывают у насекомых, толковать их движения и изменения их формы с точки зрения аэродинамики; первыми применили данный подход Уэйс-Фох и Эллингтон.
Применяя различные, взаимодополняющие подходы, изучили полет и функциональную морфологию крыла многих насекомых, выявили некоторые общие закономерности. Техническое совершенство крыла оказалось поразительным.
Типичное крыло представляет собой крепкую упругую и гибкую перепонку, поддерживаемую достаточно жесткими продольными или веерообразными жилками - как правило, трубчатого сечения с гемолимфой (кровью) и воздухоносными трахеями внутри, - соединенными между собой поперечными жилками, механические ее свойства, в особенности прочность и легкость, удивительны даже для так называемой «кутикулы» насекомых - и без того превосходного природного материала. У некоторых разновидностей мембрана крыла имеет толщину всего в микрон или около того и при этом выдерживает воздействие больших подъемных сил, возникающих при полете. Как ни прочна мембрана, крылья насекомых снабжены дополнительными строениями для повышения жесткости и редко бывают совершенно плоскими.
В ряде групп, таких как стрекозы, поденки и прямокрылые (кузнечики, сверчки, саранчовые) крылья сильно гофрированы, и продольные стволы жилок идут то по гребню, то по дну складки. Многочисленные поперечные жилки придают конструкции сходство с решетчатыми фермами инженерных сооружений, где силы, стремящиеся согнуть конструкцию, превращаются в силы растяжения и сжатия отдельных элементов (звеньев). При таких поперечных соединениях достигается гораздо большая прочность и жесткость на единицу массы, чем у конструкций, лишенных поперечных связей. Описанный эффект действительно имеет место в строении крыльев некоторых стрекоз , а сама мембрана, как мы обнаружили, при всей своей гибкости может способствовать поддержанию формы крыла, работая как «распяленная кожа» перепонка не дает каркасу из жилок деформироваться.
Крыло совершает машущие движения, то есть регулярно ускоряется и замедляется, накапливая и теряя кинетическую энергию. Следовательно, здесь истончение крыла к вершине обретает особую важность, ибо центр масс крыла должен размешаться как можно ближе к основанию, чтобы свести к минимуму затраты на изменения кинетической энергии и удержать внутренние напряжения в допустимых пределах. Утончаясь, крыло делается к вершине менее жестким, но поскольку насекомые часто сталкиваются с различными препятствиями и другими особями, крылья, как правило, реагируют на соударения не жестким противостоянием, а податливо отгибаются и затем расправляются, принимая прежний вид - словно тростник под порывами ветра. Вершина гофрированного крыла стрекозы так устроена, что без всякого ущерба уклоняется и отгибается, натыкаясь на стенки садка, и успевает полностью прийти в нормальное положение еще до начала следующего полувзмаха.
Крылья способны сильно деформироваться во время полета. Хотя крылья птиц и летучих мышей также меняют конфигурацию, не надо забывать, что крылья позвоночных, будучи видоизмененными передними конечностями, имеют собственную мускулатуру, позволяющую не сгибаться в локте, запястье, сочленениях кисти. У насекомых же мышцы не идут дальше самого основания крыла, поэтому всякое активное изменение формы крыла практически исключено.
Степень влияния аэродинамических сил на форму мембраны будет определяться эластичностью мембраны, упругими силами в несущих стержнях и регулирующими силами, прикладываемыми насекомым. В случае крыльев надо принять во внимание и силы инерции, возникающие в результате машущих движений. В любом крыле можно обнаружить жесткие участки, явно предназначенные служить крылу опорой и ограничивать его деформации. Такие участки состоят из мощных жилок, или часто пучка продольных стволов, связанных между собой сильными поперечными жилками, а иногда и утолщенной мембраной крыла. Крылья насекомых - устройство куда более сложное, тонкое и интересное. На крыле есть и гасители толчков, противовесы, противоразрывные устройства и множество других простых, но удивительно эффективных приспособлений, повышающих аэродинамическую эффективность крыла.
Строение крыльев насекомых развивалось в соответствии с требованиями особого типа полета.
Крыло способно закручиваться вдоль продольной оси, так что во время взмаха угол атаки может меняться. Большинство насекомых, возможно, активно покачивает крыловую пластинку посредством мышц, отходящих от ее основания. Иногда могут подключаться инерционные и аэродинамические силы.
Может меняться прогиб крыла - выпуклость ею поперечного селения (от ведущего края к свободному). В аэродинамической трубе небольшая выгнутая вверх пластинка создает большую подъемную силу, чем плоская, и насекомые, по всей видимости, пользуются этим эффектом. Насекомые способны изменять площадь крыла, испытывающую воздействие сил. Наиболее виртуозные летуны - такие как равнокрылые стрекозы, пчелы, осы и многое ночные бабочки, а также медленно летающие тли и комары, имеют строение, которое сочетает почти горизонтальные взмахи с заметным закручиванием крыловой пластинки, так что между махом вверх и махом вниз крыло практически полностью переворачивается. Таким образом, и прогиб крыла меняется на обратный. Все механизмы и устройства без труда объясняет классическая аэродинамика. Когда скорость движения крыла уменьшается, оно быстро перегибается вниз по линии поперечного сгиба, а затем закручивается в момент подъема при резком распрямлении. Благодаря этому внешняя часть крыла спешно набирает ускорение, что, вероятно, порождает значительную подъемную силу. Для медленного полета и зависания в воздухе обычно нужно интенсивно закручивать крыловую пластинку, так что лишь немногие формы насекомых с крыльями отличаются виртуозным полетом. Веерообразные задние крылья саранчи гофрированы, а складки поддерживаются многочисленными продольными жилками, идущими по гребню и по дну каждой складки. В покое вся конструкция собирается подобно обычному дамскому вееру. При махе вниз крыло выбрасывается вперед и складки расправляются, раздвигая веер. Крыло продолжает расправляться.
Что действительно впечатляет, так это, какие крылья бывают у насекомых мух и стрекоз , их строение. Оказалось, что крылья этих особей - настоящие миниатюрные шедевры технической изобретательности. Будь крылья этого типа простыми гибкими перепонками, закрепленными только на переднем крае, они просто трепались бы по ветру как флажки, стремясь выправиться параллельно воздушному потоку и не создавая никаких полезных сил. Естественно, в природе ничего подобною не происходит: отсутствие у крыльев жесткой опоры сзади дало возможность развиться целому набору изящных внутренних механизмов, автоматически поддерживающему оптимальный против и угол атаки в непосредственной зависимости от аэродинамической нагрузки.
Чем лучше мы понимаем работу крыльев насекомого, тем большее восхищение вызывает тонкость и изящество их конструкции. В строении крыла насекомых присутствуют одновременно оба эти принципа: здесь используются материалы с самыми разными упругими свойствами, остроумно соединенные с таким расчетом, чтобы в ответ на определенные силы возникали соответствующие деформации и воздух использовался бы с наибольшей отдачей.

Строение крыльев

Когда и откуда появились крылья у насекомых и как шла эволюция полета этих животных, мы не знаем в точности и сегодня. Одни исследователи полагают, что крылья насекомых ведут свою историю от так называемых трахейных жабр, которые и в настоящее время можно увидеть в виде боковых складок тела у некоторых водных личинок. Другие ученые (их большинство) считают, что к жабрам крылья насекомых никакого отношения не имеют и что возникли они из боковых выростов тергитов (нотумов) груди. Это наиболее распространенная в энтомологии паранотальная гипотеза. Имеются и другие точки зрения на проблему происхождения крыльев.

Не касаясь подробно всех гипотез и связанных с ними рассуждений, отметим лишь, что крылья у насекомых - это не видоизмененные конечности, как у других летающих животных (птиц и летучих мышей), а плоские выросты, точнее, складки, стенки тела, своеобразные придатки двух задних сегментов груди. Эти складки располагаются между тергитом и плейритом и с помощью эластичных мембран подвижно соединяются с особыми склеритами.

Таким образом, еще одна любопытная ситуация: насекомые в отличие от всех других летающих животных приобрели способность к полету, не заплатив за это потерей части своих конечностей.

Хотя крыло насекомого представляется нам цельной пластинкой, в действительности оно двуслойно. При этом верхний и нижний слои разделены очень тонкой щелью, которая составляет продолжение полости тела. В местах залегания трахей и нервов на крыле образуются характерные трубчатые утолщения - жилки, составляющие каркас крыла (рис. 4). Жилки могут быть продольными и поперечными. Их положение отличается исключительной стабильностью, и особенности жилкования используются в систематике насекомых в качестве одного из наиболее существенных признаков. Между жилками располагается эластичная и тонкая кутикула, создающая основную поверхность крыла (поверхность жилок сравнительно мала). Установлено, что различные участки поверхности крыльев выполняют в полете различную функцию.

Крылья многих насекомых исследовала с помощью сканирующего (растрового) электронного микроскопа О. М. Бочарова-Месснер. Ею показано, что на поверхности крыла имеется множество различных микроструктур: желобков, шипиков, чешуек, ребрышек, волосков и т. п. (фото III). Как мы увидим в дальнейшем, некоторые из таких структур являются миниатюрными датчиками, сигнализирующими в центральную нервную систему насекомого о характере движения и положении крыла, состоянии воздушного потока, в котором осуществляется полет насекомого. Однако на поверхности крыла немало и кутикулярных образований, не являющихся органами чувств. Полагают, что эти микроструктуры крыла влияют на его аэродинамические показатели.

Рассматривая строение крыла, необходимо сказать еще об одном интересном образовании, найденном на крыльях насекомых некоторых отрядов. Это образование представляет собой небольшое утолщение кутикулы, имеет темную окраску и располагается вблизи вершины крыла, у его переднего края. Названо оно «краевым глазком» (птеростигмой). Считают, что, по крайней мере, у стрекоз пгеростигма является не чем иным, как приспособлением, устраняющим вредные колебания крыла во время его движений в полете. Не исключено, что проблема флаттера (вибрации крыльев самолетов, ведущих к их разрушению и аварии) в авиации была бы решена значительно раньше, если бы исследователи обратили внимание на маленькое утолщение, созданное природой на крыле насекомого.

Крылья насекомых разных отрядов по форме, размерам, развитию различно функционирующих в полете частей неодинаковы (В ряде случаев неодинаково развиты крылья даже у представителей одного и того же вида насекомых (у самцов и самок). Так, у самки бабочки зимней пяденицы крылья недоразвиты, и насекомое с их помощью летать не может. Рудиментарны крылья и у самок бабочек некоторых других видов (например, у шелкопряда античная волнянка). У самок же бабочек-психей крыльев и вовсе нет. Отсутствуют крылья у самок червецов (полужесткокрылые), всех веерокрылых, австралийских остиннид (пере­пончатокрылые). Любопытно, что самцы этих насекомых летают, и часто очень хорошо. Такое «неравноправие» в обеспечении крыльями является ярким выражением полового диморфизма. Нужно сказать, однако, что половые особенности насекомых находят свое отражение не только в бескрылости или короткокрылости самок. Так, самки муравьев и термитов имеют вполне нормальные крылья и способны летать, но после оплодотворения сбрасывают их и уже до конца жизни остаются нелетающими. Полная бескрылость характерна для определенных поколений в половом цикле тлей). Значительно различаются насекомые и по манере располагать крылья в состоянии покоя. Некоторые насекомые вообще не умеют складывать крылья и держат их в покое распростертыми в стороны или отведенными несколько кзади. По А. В. Мартынову, это древнекрылые насекомые. Другие крылатые насекомые научились складывать крылья и тем самым приобрели громадные преимущества в борьбе за существование. Ведь, сделав свое тело более компактным, они смогли жить в новых, ранее недоступных им «квартирах»: в расщелинах, под камнями, в толще травы и т. п. Одновременно они получили дополнительные возможности скрываться от врагов. Таких пасекомых А. В. Мартынов назвал новокрылыми. Преимущества насекомых, складывающих крылья, в эволюции оказались настолько значительными, что они практически вытеснили древнекрылых насекомых, из которых в настоящее время сохранились лишь стрекозы и поденки.

Подавляющее большинство летающих насекомых четверокрылы. Двумя крыльями обладают лишь мухи и комары (отсюда название отряда, к которому они относятся,- двукрылые), а также веерокрылые и небольшое число представителей других отрядов, например некоторые поденки. При этом у одних насекомых развились только передние крылья, у других - задние. Интересно отметить, что задние крылья двукрылых превратились в специализированные органы чувств, так называемые жужжальца, играющие важную роль в стабилизации полета и в осуществлении некоторых маневров. У веерокрылых в жужжальца превратились передние крылья.

Однако и у четверокрылых насекомых степень развития передних и задних крыльев далеко не одинакова. Исключение составляют стрекозы, развившие в одинаковой степени обе пары своих крыльев и соответственно мышцы, приводящие их в движение. Этих насекомых Б. Н. Шванвич отнес к двумоторным. Он различал также переднемоторых насекомых, у которых передняя пара крыльев с ее мышечным аппаратом обнаруживает тенденцию к преобладанию над задней (полужесткокрылые, чешуекрылые, перепончатокрылые, многие поденки и др.), и заднемоторных (жесткокрылые, прямокрылые, таракановые и др.), у которых наблюдаются обратные отношения (К переднемоторным насекомым Б. Н. Шванвич относил также двукрылых, а к заднемоторным - веерокрылых, т. е. насекомых, у которых соответствующая пара крыльев подверглась полной редукции. Такие насекомые в этой книге выделены особо)). У заднемоторных насекомых передние крылья обычно более плотные, чем задние, и нередко по совместительству выполняют покровную функцию. У жуков передние крылья целиком превратились в защитные надкрылья (отсюда другое название этого отряда насекомых - жесткокрылые).

Как же взаимодействуют передние и задние крылья в полете? У некоторых, обычно плохо летающих насекомых (исключение - стрекозы!) эти крылья работают независимо друг от друга. Однако у большинства видов обе пары крыльев составляют как бы единое целое, объединяясь функционально за счет нервно-мышечной координации или даже структурно с помощью особых приспособлений - своеобразных крючков (у перепончатокрылых, многих полужесткокрылых) или зацепок другого типа (у некоторых чешуекрылых).

Таким образом, в эволюции полета насекомых наблюдается четко выраженная тенденция: переход тем или иным способом от четверокрылости к двукрылости. Не напоминает ли нам это положение, существовавшее в прошлом и в авиации, когда человек методом «проб и ошибок» пришел к заключению о летных преимуществах монопланов перед бипланами и более многокрылыми конструкциями?

Крыловые мышцы

Как говорилось выше, крыло насекомого лежит на особом выросте плейрита - плейральном столбике, который служит точкой опоры при его движениях. Плейральный столбик располагается почти у основания крыла, и крыло, таким образом, представляет собой двуплечный рычаг с неодинаковой длиной плеч.

Казалось бы, для того, чтобы поднять или опустить крыло, достаточно потянуть его с помощью мышц за короткое плечо вниз или вверх. Однако основные мышцы, обеспечивающие крыловые удары, у подавляющего большинства видов насекомых ничего подобного с крылом не делают, поскольку к нему даже не прикрепляются!

Так, мышцы, опускающие крыло, располагаются между фрагмами тергита. Это так называемые спинные про-» дольные мышцы, развитые у насекомых разных отрядов в разной степени и у хорошо летающих насекомых занимающие почти все пространство грудной полости. Мышцы, поднимающие крыло, располагаются между тергитом и стернитом. Это - дорсовентральные мышцы. И спинные продольные, и дорсовентральные мышцы называются мышцами непрямого действия на крыло, или непрямыми крыловыми мышцами. Чтобы понять, каким образом эти мышцы приводят крыло в движение, не будучи с ним связанными, вспомним об эластических свойствах скелета груди насекомого и посмотрим на рис. 5, где представлены поперечные и продольные срезы груди.

Когда сокращаются дорсовентральные мышцы, тергит, к которому они прикрепляются, слегка опускается, его края тянут вниз основания крыльев, что приводит к подъему крыловой пластинки (рис. 5, а, б). При сокращении спинных продольных мышц наблюдаются обратные отношения: фрагмы сближаются между собой, тергит несколько выгибается (рис. 5, в, г), в результате чего крыло движется вниз. Хотя указанные смещения тергита малы, они благодаря длинному плечу рычага крыла преобразуются во вполне достаточные по амплитуде движения крыловой пластинки.

Помимо крыловых мышц, не связанных с основанием крыла, у насекомых имеются также мышцы, прикрепляющиеся к крылу. Это - мышцы прямого действия на крыло, или прямые крыловые мышцы (рис. 5, д, е). Среди мышц прямого действия следует особо выделить базалярные и субалярные мышцы, которые могут служить как для опускания крыла, так и обеспечивать необходимые для полета вращательные движения (супинацию и пронацию) (Супинация - поворот, при котором передний край крыла обращен вперед и вверх, пронация - вперед и вниз) - скручивания крыла. У некоторых насекомых (чешуекрылых, полужесткокрылых, жесткокрылых) мышцы прямого действия могут также изменять амплитуду крыловых ударов.

Имеются еще у насекомых и так называемые вспомогательные мышцы, влияние которых на полет заключается в контроле эластической отдачи грудного отдела, а также в изменении относительного положения подвижных частей крылоносного сегмента. Наконец, в летательный механизм многих насекомых могут включаться во время полета и некоторые мышцы ног.

Таковы в основных чертах структурно-функциональные отношения, существующие в крыловом аппарате почти всех летающих насекомых. Почти - потому, что крыловой «мотор» стрекоз несколько выпадает из этой общей картины. Дело в том, что спинные продольные мышцы у стрекоз не развиты и основную функцию «одускателей» крыла выполняют мощные мышцы прямого действия на крыло. Подъем же крыла у стрекоз, как и у остальных насекомых, обеспечивают непрямые дорсовентральные мышцы. Любопытно, что такая «нетипичная» конструкция крылового аппарата стрекоз не помешала этим насекомым достичь высокого летного совершенства.

Типы полета

Полет насекомых может рассматриваться с разных точек зрения. Отсюда и различные его классификации. Некоторые исследователи выделяют два основных типа полета: тривиальный (обыденный, или повседневный) полет, связанный с поисками пищи и размножением (Обыденный полет проходит вблизи мест обитания (гнездования) насекомого), и полет во время миграций, связанный главным образом с поисками новых мест обитания. Однако провести четкую границу между обоими типами полета удается далеко не всегда. Но для нас дело даже не в этом. Ведь нас интересует больше всего характер работы крылового аппарата насекомого во время полета, а этот аспект деление полета на обыденный и миграционный как раз и не отражает. Поэтому мы будем придерживаться другой - функциональной классификации.

С функциональной точки зрения полет насекомых может быть активным и пассивным. Активный полет осуществляется за счет энергии мышечных сокращений, пассивный - основан на использовании энергии внешней среды, а также массы тела насекомого (потенциальной энергии, накопленной животным). Рассмотрим сначала основные типы пассивного полета. Их три: парашютирующий, планирующий и парящий.

Парашютирующий полет заключается в том, что насекомое, например поденка, во время роения, набрав нужную высоту, располагает свои крылья определенным образом и, тормозя ими как парашютом, медленно опускается под действием собственной массы. Строго говоря, это даже не полет, а простое замедленное падение, причем в торможении такого падения насекомому могут помогать и другие части тела (у поденок - длинные хвостовые нити). Через некоторое время насекомое снова набирает высоту, потом опять парашютирует и т. д.

Уже на примере парашютирующего полета видно, что активные и пассивные фазы могут чередоваться. Это можно наблюдать и при некоторых других типах полета.

Планирующий полет тоже осуществляется под действием собственной массы насекомого. Им пользуются насекомые, имеющие достаточные по площади крылья,- бабочки, стрекозы. Бабочки, например, разгоняются и затем, прекратив движения крыльями, летят некоторое время по инерции - планируют (Разновидностью планирующего полета может считаться пикирующий полет, свойственный, правда, в большей степени птицам, чем насекомым. Разница между этими двумя типами полета заключается в величине угла, под которым насекомое приближается к земной поверхности. При пикировании этот угол значительно больше, чем при планировании). Здесь также чередуются активные и пассивные фазы полета. Иначе ведут себя многие стрекозы. Они, подобно настоящим планерам, способны не только планировать, медленно теряя высоту, но и подниматься вверх в восходящих токах воздуха. Впрочем, это уже другой тип полета - парящий, и его реализация невозможна без энергии внешней среды.

Существенно отличается от только что описанного парящего полета стрекоз пассивный полет за счет горизонтальных и вертикальных токов воздуха многих мелких насекомых: тлей, мелких двукрылых, бабочек и др. Эти насекомые способны и к активному полету, но полет их настолько маломощен, что при ветре (и даже токах воздуха) они просто дрейфуют и часто на очень большие расстояния - в сотни километров. Теплыми восходящими токами воздуха они «возносятся» на большую высоту и затем летят под воздействием дующих здесь довольно сильных и постоянных ветров. Это один из способов расселения «маломощных» насекомых на значительных территориях. Любопытно, что за счет воздушных течений могут расселяться в некоторых случаях и бескрылые насекомые, а также личинки насекомых, если они обладают малой массой и достаточной парусностью.

Как бы то ни было, в воздухе на высоте 1-2 тыс. м всегда встречается довольно плотный «слой» мелких насекомых, образующих своеобразный воздушный планктон. Этот дрейфующий планктон служит превосходной пищей для птиц.

Переходя к рассмотрению активного способа передвижения насекомых, следует подчеркнуть, что при очень сильном ветре даже насекомые, обладающие мощным активным полетом, превращаются в игрушку стихии и летят совершенно пассивно. Однако нас такие экстремальные случаи интересовать не будут.

Активный полет насекомых осуществляется всегда в форме машущего полета. Для полета этого типа характерны непрерывные движения крыльев (крыловые удары), перемещающие насекомое вперед. Впрочем, стоячий (трепещущий) полет, о котором упоминалось во введении, также является разновидностью машущего полета. Стоячий полет - высший тип летного искусства, и им обладают сравнительно немногие насекомые: некоторые двухкрылые (не только мухи-сирфиды!), пчелы, бабочки. Этим же насекомым, как и подавляющему большинству их собратьев, свойствен, конечно, и поступательный машущий полет. Поэтому в дальнейшем, рассматривая активный полет насекомых, мы будем подразумевать, если это не оговаривается особо, именно этот тип полета.

Однако даже при одном типе полета - машущем - многие важные параметры работы крылового аппарата могут существенно различаться не только у насекомых разных видов, но и у одного и того же насекомого в разные моменты его полета - при взлете, посадке, осуществлении различных маневров. К таким параметрам относятся: частота и амплитуда крыловых ударов, угол наклона плоскости ударов и др. С некоторыми из этих важных характеристик работы летательного аппарата насекомых мы познакомимся в этой и последующих главах.

Скорость полета и частота крыловых ударов

Скорость полета насекомого может быть измерена в двух аспектах: относительно земли (грунта) и относительно воздуха (ветра). Понятно, что при отсутствии ветра обе эти скорости совпадают. Однако в реальной ситуации безветрие встречается сравнительно редко, и скорости полета насекомого относительно ветра и земли могут существенно различаться между собой. Так, например, если насекомое летит со скоростью 10 м/с навстречу ветру, дующему со скоростью 5 м/с, то его скорость относительно ветра будет составлять 15 м/с, а относительно земли лишь 5 м/с. При полете насекомого по ветру скорость животного относительно земли окажется равной 15 м/с, а относительно ветра лишь 10 м/с.

Рассмотрим сначала возможные скорости перемещения насекомых относительно земли в безветрие. Эти скорости тоже различны и могут варьировать у разных видов этих животных от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров в секунду. К сожалению, данные о скорости полета насекомых и о частоте крыловых ударов значительно различаются у разных авторов. И дело здесь не столько в том, что насекомые могут в определенных пределах варьировать эти параметры, сколько в методической сложности их определения.

Нет нужды доказывать читателю, например, что определение скорости полета насекомых с помощью различных вертушек (каруселей), в которых животные закрепляются и летят по кругу, или нитей, прикрепляемых к насекомым и раскручивающихся вслед за ними во время движения, не может быть достаточно точным, какие бы поправки в расчеты при этом ни вводились. С другой стороны, очень трудно измерять скорость полета и частоту крыловых ударов у большинства насекомых в природных условиях. Не касаясь ухищрений, к которым приходится прибегать в этих случаях, приведем сведения, являющиеся, по-видимому, наиболее надежными (табл. 1).

Таковы скорости полета насекомых относительно земли в отсутствие ветра. Понятно, что ветер может вносить существенные коррективы в этот показатель. Однако некоторые насекомые даже несмотря на встречный (но, конечно, не слишком сильный) ветер могут сохранять скорость своего перемещения относительно земли постоянной. Так способен поступать, например, небольшой кровососущий комар Aedes.

В безветрие комарик летит со средней скоростью 47 см/с. При усилении ветра до 33 см/с он увеличивает скорость полета относительно ветра до 49 см/с. В результате, как легко подсчитать, его скорость относительно земли уменьшится лишь до 16 см/с (49 см/с - 33 см/с - 16 см/с), т. е. практически останется постоянной.

Конечно, резервы комара не беспредельны, и при дальнейшем усилении ветра это крошечное создание начинает сдавать. Однако даже при скорости встречного ветра 150 см/с (а это для комара не так уж мало) он все же способен продвигаться вперед.

Способность игнорировать ветер очень наглядно проявляется у насекомых, способных к стоячему полету. При увеличении скорости ветра до определенного предела эти насекомые могут по-прежнему «зависать» над выбранной точкой поверхности земли практически не смещаясь. Таким образом, скорость полета относительно земли они поддерживают постоянной и равной нулю. Понятно, что за счет все более энергичной работы крылового аппарата они должны все время повышать скорость своего полета относительно ветра. Иначе им не компенсировать его усиления.

Игнорирование ветра у насекомых может иметь и более прозаический характер, и при усилении ветра некоторые насекомые просто стараются не взлетать. Так делают, например, многие мухи, и в частности синяя мясная муха. Интересно, что при скоростях менее 0,7 м/с ветер оказывает даже стимулирующее действие на мух и число взлетающих особей увеличивается. При дальнейшем увеличении скорости ветра число взлетающих особей уменьшается в несколько раз.

Однако если ветер не очень сильный, насекомые летают и летают нередко весьма быстро. За счет чего же эти животные достигают таких высоких скоростей? Главным образом за счет большой частоты работы летательного аппарата (табл. 2).

Как видно из таблицы, это особенно справедливо для мелких форм, имеющих соответственно и маленькие крылья (см. нижние строки правого столбца таблицы). Напротив, более крупные насекомые, например многие бабочки и стрекозы, площадь крыльев которых достаточно велика (Площадь крыльев у стрекоз и бабочек может составлять несколько тысяч квадратных миллиметров, у мух - несколько десяти ков, у комаров - лишь несколько квадратных миллиметров), способны достигать в полете высоких скоростей и при значительно меньшей частоте крыловых биений. Однако даже самые крупные насекомые - миниатюрные создания по сравнению с другими летающими животными (за исключением, пожалуй, лишь птицы колибри). Поэтому, учитывая размеры тела насекомых, следует считать эффективность работы их летательного аппарата исключительно высокой.

Дальность полета и некоторые другие его характеристики

Максимально возможная дальность беспосадочных перелетов насекомых в точности не известна. За ними трудно следить, кроме того, практически все насекомые никогда не стремятся ставить в этом отношении рекорды, и в обыденной жизни без отдыха преодолевают сравнительно небольшие расстояния. Ясно одно: без посадки разные насекомые могут преодолевать различные расстояния.

Комнатная муха, например, как уже говорилось во введении, в своей обычной жизни - спринтер: в условиях комнаты она пролетает всего несколько метров и потом норовит опуститься. Если муху все время лишать возможности совершать посадку, то она сможет пролететь несколько сот метров. Сколько бы она пролетела сама, если бы захотела продемонстрировать в этом отношении свое мастерство, мы не знаем (Не исключено, что комнатные мухи способны к миграционному полету).

Но вот данные, приводимые В. Н. Беклемишевым о другом двукрылом - малярийном комаре, показывают, что это насекомое легко преодолевает без посадки около 3 км. Примерно в этих же пределах, по наблюдениям пчеловодов, совершают свои полеты за нектаром и пчелы. Но если учесть, что обратно в улей пчела летит с нагрузкой, то становится очевидным, что у этого насекомого имеется возможность налегке совершать и более значительные перелеты.

Установлено, что многие стрекозы и бабочки (например, бражники) способны без отдыха преодолевать многие сотни километров. Во всяком случае, стрекоз видели в Карибском море на расстоянии около 550 км от ближайшей суши. О рекордах дальности беспосадочных перелетов саранчи читатель сможет узнать в главе 4.

Такие огромные расстояния насекомые оказываются способными преодолевать за счет ничтожного расхода «горючего» в полете. Любопытные расчеты, демонстрирующие энергетические преимущества полета перед другим локомоторным актом насекомого - ходьбой, приводят немецкие исследователи Е. Шольце, X. Пичлер и X. Херан. По данным этих авторов, полет пчелы на 78 м по затратам энергии эквивалентен всего лишь 3 м ходьбы. Иными словами, полет этого насекомого оказывается экономичнее в 26 раз!

Аэродинамика полета и кинематика крыльев

Понятно, что высокая эффективность и экономичность работы летательного аппарата насекомых не могла бы осуществляться без совершенной аэродинамики этих животных. Поэтому мы должны сейчас, хотя бы в самых общих чертах, коснуться и этого вопроса. Для знакомства с некоторыми аэродинамическими показателями рассмотрим сначала наиболее простой случай и предположим, что насекомое не машет крыльями, а, набрав определенную скорость, летит по инерции с распростертыми крыльями на одной и той же высоте.

Каждое крыло насекомого при этом не располагается строго горизонтально, а как бы несколько разворачивается в направлении движения (рис. 6). Угол наклона крыла (или, точнее, хорды крыла, поскольку крыло не обязательно имеет плоскую форму) к направлению набегающего на него потока воздуха носит название угла атаки (а). Совокупность аэродинамических сил, действующих на движущееся в воздухе крыло, их результирующая (R), называется полной аэродинамической силой, или полным аэродинамическим сопротивлением. По известному правилу параллелограмма сил ее можно разложить на две составляющие: подъемную силу (Y), направленную вверх и стремящуюся поднять крыло, и силу лобового сопротивления (Q), перпендикулярную ей и тормозящую движение.

Подъемная сила (Y) создается за счет разностей скоростей потока около верхней и нижней поверхностей крыла (сверху скорость больше). При этом, согласно уравнению Бернулли, крыло сверху будет испытывать меньшее давление, чем снизу, в результате чего и создается сила, направленная вверх. Если Y будет меньше массы насекомого (G) - животное начнет снижаться, терять высоту. Если сила тяги (T) окажется меньше лобового сопротивления (Q) - произойдет торможение полета и т. д. Таким образом, чтобы насекомое могло лететь горизонтально, необходимо соблюдение следующих условий: масса тела насекомого (G) должна уравновешиваться подъемной силой (Y), а лобовое сопротивление (Q) - силой тяги (T). Варьируя угол атаки крыла, можно менять соотношение между Y и Q.

Все, о чем мы до сих пор говорили, в принципе справедливо для любого стационарно расположенного в потоке воздуха крыла, в том числе и для крыла самолета. Естественно, что в авиации всегда стремятся увеличить полезную подъемную силу и уменьшить вредное лобовое сопротивление. Для уменьшения Q есть два пути: создание максимально гладкого крыла («зализывание» его поверхности) и предельно допустимое уменьшение угла атаки (существуют критические углы, иначе самолет может сорваться в штопор).

Тут сразу выявляются существенные различия между крылом насекомого и крылом самолета. Игнорируем пока тот существенный факт, что крылья насекомых работают в полете всегда при больших углах атаки: здесь ситуация другая - машущий полет! Но вот что поразительно для любой ситуации: крыло насекомого как бы нарочно создано «антиаэродинамическим»! Вспомним его строение: оно покрыто различными волосками, чешуйками, гребешками и другими образованиями. Многие из этих образований являются органами чувств. Это, так сказать, «зло» неизбежное, поскольку крыло насекомого - живое образование и без датчиков обходиться не может. Но ведь на поверхности крыла имеется и масса структур, не несущих рецепторной функции. Для какой же цели они существуют?

Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, нам придется познакомиться с одпой из важнейших летных характеристик - числом Рейнольдса. Это безразмерная величина, выражающаяся дробью, в числителе которой находится произведение скорости движения жидкости относительно тела на некоторую длину, а в знаменателе - кинематическая вязкость жидкости. В нашем случае это будет произведение размаха крыла на скорость его перемещения, деленное на кинематическую вязкость воздуха (она равна 0,14 см2/с).

Было подсчитано, что если число Рейнольдса у исследуемого объекта меньше 2200, то около его поверхности создается ламинарное течение, при котором отдельные струйки идут параллельно, не перемешиваясь. Если число Рейнольдса больше 2200, возникает турбулентное - вихревое (с перемешиванием слоев) - течение. Чем выше значения чисел Рейнольдса, тем интенсивнее завихрения вблизи крыла, тем больше возникает затруднений движению вперед.

Крылья современных самолетов работают при значениях чисел Рейнольдса 106 и выше, а крылья насекомых, так как они меньше по размерам и движутся относительно воздуха медленнее,- при малых числах Рейнольдса. Для пустынной саранчи, например, это число составляет 2000, а у дрозофилы и тото меньше - 200. Казалось бы, чего лучше: никаких завихрений, но при ламинарных течениях, которые образуются при малых числах Рейнольдса, в пограничном слое крыла существует опасность так называемых ламинарных отрывов.

Интересные опыты были проведены с крыльями дрозофилы, которые обдували в аэродинамической трубе. Оказалось, что при углах атаки от 20 до 50° подъемная сила крыла этого насекомого оставалась практически постоянной. Однако замена крыла его моделью с тем же числом Рейнольдса, выполненной из магнитной ленты, приводила к отрыву потока при угле атаки всего в 25°.

Остается заключить, что все эти особенности поведения крыла насекомого как-то связаны со структурными образованиями, имеющимися на его поверхности. По мнению ряда исследователей (С. Фогель, Н. В. Кокшайский), волоски и щетинки могут являться своеобразными турбулизаторами, создающими микровихри. Они, таким образом, могут контролировать течение воздуха в пограничном слое крыла и способствовать бессрывному его обтеканию. Не исключено также, что у некоторых насекомых, например у поденок, отрыву пограничного слоя в полете препятствует и гофрировка крыла (Складки крыла, образующиеся при его гофрировке, являются своеобразными каналами, по которым отводится часть обтекающего крыло воздуха, чем уменьшается толщина пограничного слоя (остальную его часть удержать легче)), характер которой может к тому же меняться в разные моменты удара, как установил это А. К. Бродский.

Однако ни щетинки и волоски, ни гофрировка не могут исправить еще одного существенного аэродинамического недостатка крыла насекомого с малой величиной числа Рейнольдса. Если число Рейнольдса меньше 100 - начинает возрастать коэффициент лобового сопротивления. Как же мелкие виды могут увеличить область чисел Рейнольдса, в которой работают крылья?

Понятно, что они не в состоянии увеличить величину своего крыла и кинематическую вязкость воздуха. Остается единственный путь: повысить, сколь возможно, скорость движения крыла относительно воздуха. Именно так и поступают мелкие насекомые, максимально увеличивающие ритм крыловых биений (см. табл. 2). При этом увеличивается и скорость перемещения самого насекомого и, таким образом, сразу решаются две задачи.

Заговорив о крыловых ударах насекомых, мы подошли к наиболее принципиальному различию, которое существует между крыльями самолета и крыльями насекомого,- способам создания положительных аэродинамических сил во время полета. Когда летит самолет, его крылья, расположенные неподвижно, создают подъемную силу, а вперед его влечет пропеллер. У насекомых нет пропеллера, и крыльям этих животных приходится выполнять две функции: удерживать тело насекомого в воздухе (создавать подъемную силу) и двигать насекомое вперед (создавать силу тяги). В рассмотренном на с. 37 случае насекомое просто летело за счет накопленной ранее скорости. Каким же образом оно создает силу тяги?

Предположим, что крыло, изображенное на рис. 6, начнет двигаться вниз. Выберем какой-нибудь момент в этом движении (рис. 7) и рассмотрим, какие силы действуют на крыло теперь. Полную аэродинамическую силу R опять разложим по правилу параллелограмма на составляющие: подъемную силу крыла, обозначив ее Y1, и его лобовое сопротивление - Q1. Обратим внимание на то, что движение крыла и движение всей системы - летящего насекомого - на протяжении почти всего удара здесь уже не совпадают по направлению. Поэтому, если мы захотим узнать, какие силы действуют не на крыло как таковое, а на все насекомое как летящий объект (а именно это для нас и важно), мы вынуждены будем разложить результирующую R иначе. Составляющие теперь будут действовать следующим образом: одна - не по движению крыла, а в направлении движения системы (насекомого), другая - не по нормали к крылу, а по вертикали. Так мы получим подъемную силу Y и силу тяги Т: Y по-прежнему будет уравновешиваться массой насекомого (G),T- лобовым сопротивлением всей системы (Q).

Такой анализ помог бы нам понять, что происходит при машущем полете насекомых, если бы крылья этих животных двигались подобно веслам (о других трудностях мы поговорим ниже). Однако исследования последних лет показали, что сравнение движений крыла насекомого во время его работы с движениями весла весьма мало напоминает реальную ситуацию, а название машущего полета «гребной», как это было принято еще сравнительно недавно в учебниках энтомологии, неправильно. И если уж с чем-то сравнивать, то скорее можно провести аналогию с работой пропеллера самолета. Да и в этом случае общего не так уж много.

Рассмотрим в самых общих чертах движения крыла насекомого относительно его корпуса. Возьмем некое «усредненное» и для простоты двукрылое насекомое, поскольку ясно, что движения крыльев у разных видов могут существенно различаться между собой. Представим себе, что крыло насекомого находится в верхней точке взмаха и под действием мышц-депрессоров начинает опускаться вниз. Своей поверхностью оно «давит» на воздух, создавая основную подъемную силу и небольшую силу тяги (передний край крыла при движении вниз расположен несколько ниже заднего). Если бы крыло загребало воздух аналогично веслу, то именно здесь создавалась бы максимальная сила движения, чего, как показывают наблюдения, на самом деле нет.

Чтобы обеспечить необходимое поступательное движение, насекомое делает иначе: приводя в действие прямые (плейральные) мышцы, оно выносит свое крыло вблизи нижней точки удара косо вперед и поворачивает его вдоль продольной оси, как бы ставя на ребро передним краем кверху. Затем в результате комбинированного действия дорсовентральных и плейральных мышц крыло отводится вверх и назад - к позиции, с которой мы начали наш анализ.

За счет описанного «пропеллерообразного» движения крыла и создается основная сила тяги. Все фазы цикла осуществляются чрезвычайно стремительно и могут занимать у насекомых некоторых отрядов лишь тысячные доли секунды. В результате быстрой работы крылового аппарата подъемный и пропеллирующий эффекты как бы сливаются в единый аэродинамический эффект, поддерживающий тело насекомого в воздухе и движущий его вперед. Но такова лишь самая общая схема. А теперь, чтобы убедиться, насколько все сложнее в действительности, рассмотрим два примера, иллюстрирующих характер движения крыльев реальных насекомых - поденки и мухи-формии (кинематика крыльев саранчи дается в главе 5). Начнем с более примитивно летающего насекомого - поденки.

В начале этой главы говорилось, что поденка во время брачного полета в рое поднимается на определенную высоту, а затем медленно парашютирует. Но это же насекомое способно и к обычному для других видов горизонтальному полету. О таком полете и пойдет речь.

Посмотрите на рис. 8, где приводятся в двух проекциях - спереди и сбоку - основные моменты движения крыловой пластинки поденки. Согласно исследованиям А. К. Бродского, движение крыла вниз этого насекомого начинается с пронации, которая уменьшается в середине удара и резко увеличивается в его конце (У всех других изученных насекомых пронация к концу удара вниз постепенно сменяется супинацией, необходимой для последующего взмаха). Угол атаки крыла в процессе пронации меняется весьма значительно: па пути от середины до нижней точки удара он становится больше на 15°. В результате основная подъемная сила у поденки создается в середине удара вниз, а сила тяги - в конце удара. Иными словами, при движении крыла вниз создаваемые им аэродинамические силы положительны. Поскольку в нижней точке удара пронация крыла поденки, как мы видели, максимальная, движение крыла вверх насекомое вынуждено начинать с резкой его супинации. При этом поверхность крыла располагается почти перпендикулярно направлению полета поденки. По мере дальнейшего движения вверх супинация крыла постепенно уменьшается. Аэродинамический эффект на основном участке пути крыла вверх нейтрален или даже отрицателен. Это не относится, однако, к самому началу подъема крыла, когда, как и в его нижнем положении, создается сила тяги.

Все сказанное позволяет заключить, что траектория движения крыла поденки должна выглядеть достаточно сложной. Вот, например, какую фигуру описывает вершина крыла относительно тела этого насекомого, если смотреть на крыло сбоку (рис. 9, I) и спереди (рис. 9, II).

Еще более сложна кинематика крыла другого насекомого - мухи-формии. На рис. 10 приведена траектория движения ее крыла относительно тела и воздуха. Кстати, анализируя характер движения крыла формии, В. Нахтигаль показал, что частично подъемная сила у насекомого может создаваться даже при движении крыла вверх в начале взмаха. Вот, например, как этот автор раскладывает уже известные нам силы, действующие на крыло в различные фазы крылового цикла (рис. 11). Изображение мухи с поднятыми крыльями символизирует начало крылового удара, с опущенными - его окончание. Представлены четыре последовательные стадии цикла, причем результирующая сила изображена штриховой линией, снабженной двойными стрелками.

Из приводимых В. Нахтигалем схем можно, по-видимому, заключить, что на I стадии движения крыла вниз угол атаки и лобовое сопротивление оказываются сравнительно небольшими, поэтому подъемная сила должна создаваться хорошая и равнодействующая обеих сил будет направлена более или менее вертикально. На II стадии крыло начинает разворачиваться, угол атаки становится равным почти 90°, лобовое сопротивление резко возрастает, а подъемная сила уменьшается (она может, впрочем, оставаться еще значительной, если крыло формии ведет себя при больших углах атаки аналогично крылу дрозофилы). Равнодействующая здесь все же направлена вверх. Интересно, что возрастающее в эту стадию цикла лобовое сопротивление может быть и полезным - способствовать торможению крыла и остановке его в нижней точке удара. На III стадии крыло уже поднимается, и воздушный поток набегает на другую его поверхность - дорсальную. Равнодействующая направлена на этой стадии вперед. Наконец, на IV стадии поток снова набегает на вентральную поверхность крыла, а равнодействующая теперь идет назад и вниз (при этом она может помогать торможению крыла в конце его движения вверх).

Таким образом, не исключено, что аэродинамические силы, возникающие во время крыловых движений, оказываются важными не только для поддержания тела насекомого в воздухе и перемещения его вперед, но и для торможения крыла в верхней и нижней точках крылового удара. Существенную роль во время крыловых ударов могут играть, как мы увидим ниже, и эластические компоненты груди насекомого.

Однако как бы впечатляюще ни выглядели схемы разложения сил, действующих на крыло насекомого в разные стадии цикла, нужно иметь в виду, что в данном случае для анализа используется аппарат классической аэродинамики. А классическая аэродинамика имеет дело со стационарными моделями, Но можно ли машущий полет насекомых отнести или хотя бы свести к разряду стационарных?

В самом деле, скорость движения крыла насекомого даже во время установившегося полета в разные стадии цикла не является постоянной: она уменьшается до нуля в верхней и нижней точках удара, причем направление движения крыла в этих точках меняется на противоположное. Удар вверх, по крайней мере, у некоторых насекомых, осуществляется быстрее, чем удар вниз. Результирующая скорость движения крыла при машущем полете складывается из поступательной и колебательной, а само движение крыла на протяжении большей части крылового цикла не совпадает даже по направлению с движением всей системы (летящего насекомого). Далее, при машущем полете в разные фазы крылового цикла меняется (и весьма существенно!) угол атаки, а соответственно и аэродинамические силы, действующие на крыло. Более того, даже в одну и ту же фазу углы атаки разных сечений крыла оказываются различными. Весьма своеобразны (и далеко не изучены!) явления, протекающие в пограничном слое машущего крыла. Совершенно различны вихревые дорожки, образующиеся за неподвижным и машущим крылом…

Таким образом, когда мы берем не неподвижное, а движущееся по сложной траектории крыло, которое к тому же еще меняет профиль в разные фазы цикла, мы приходим к заключению, что многие константы для стационарного крыла здесь вдруг становятся переменными (углы атаки, установочные углы и др.). С другой стороны, при машущем полете появляются новые величины и зависимости, которые необходимо изучать и учитывать: частота ударов и их амплитуда, ускорение, которое приобретает крыло в разные фазы цикла, и т. д.

К сожалению, теории машущего полета насекомых еще нет, и вряд ли из-за многочисленных трудностей такая теория в ближайшие годы будет создана. Поэтому многие исследователи, изучающие полет насекомых, пытаются хотя бы приблизительно все же свести нестационарные полетные ситуации к последовательности стационарных ситуаций. Так поступал, например, известный специалист по аэродинамике полета саранчи и некоторых других насекомых Т. Вейс-Фо. Интересно, что некоторые аэродинамические показатели, вычисленные по правилам классической аэродинамики (например средняя подъемная сила и средняя сила тяги), у ряда насекомых прекрасно совпадают со значениями этих величин, полученными в прямом опыте на насекомых, прикрепленных к аэродинамическим весам и «летящих» в ветровом потоке. Чем объясняются эти противоречащие всем нашим, казалось бы, убедительным рассуждениям совпадения, мы пока не знаем.

Показать все

Сочленение крыла с телом

Крепление крыльев к телу и их движение

Способность к полетам выработалась у насекомых на протяжении эволюции: как известно, наиболее примитивные отряды могут передвигаться лишь при помощи , так как не имеют . Перемещение по воздуху более выгодно в плане скорости, и на него, к тому же, тратится куда меньше энергии, чем на ходьбу.

Крыло насекомых можно сравнить с двуплечим рычагом. Короткое плечо представлено его внутренней частью (основанием), которая скрыта под мембраной, а длинное располагается снаружи: собственно, эту видимую часть и принято считать крылом. На внутренней поверхности экзоскелета, сразу под местом сочленения крыла с телом, находится плотный выступ, который называют плейральным столбиком; данная структура играет роль точки опоры при взмахе . (фото)

Когда насекомое собирается расправить , оно сокращает специальные мышцы (), прикрепленные к спинке. Спинка перемешается немного вниз, надавливая на внутреннюю часть крыловой пластинки. Она, в свою очередь, упирается в плейральный столбик. При этом основание крыла опускается, а его наружная часть одновременно идет вверх. Если же необходимо опустить крыло, спинка снова поднимается, и все приходит в исходное положение.

Взаимодействие крыльев в полете

Взаимодействие крыльев во время полета

Насекомые перемещаются либо с помощью четырех (жуки, бабочки), либо с помощью двух . Обычно пара крыловых пластинок, расположенная на одной стороне тела, при расправлении образует единую летную поверхность. Исключение составляют лишь некоторые представители класса. Например, среди стрекоз есть как равнокрылые, у которых движутся одинаково, так и разнокрылые - у них каждое крыло перемещается по-своему. (видео)

Типы полета

Разделение полета на разновидности может проводиться с разных точек зрения. Например, в зависимости от его цели специалисты выделяют два основных типа:

• тривиальный (обыденный) - полет с целью добычи питания, поиска партнера для и др.
• миграционный - полет, осуществляемый для поиска новых мест обитания.

Эта градация не относится к самым удачным, так как она не отражает особенностей работы крылового аппарата насекомого в том или ином случае. Так, и саранча, и бабочки могут мигрировать на большие расстояния, однако конкретные способы, которыми они это делают, отличаются, и это надо учитывать. По этой причине самой удобной представляется функциональная классификация полета на пассивные и активные способы.

Пассивный полет

- осуществляемый без активной работы мышц, под воздействием силы тяжести, воздушных потоков или накопленной в активном полете кинетической энергии (силы инерции).

Он бывает:

Активный полет

: он возможен благодаря активным движениям . Насекомое осуществляет крыловые удары, которые и обеспечивают его перемещение вперед и вверх. Активное перемещение разделяют на две основных разновидности:

• машущий полет - осуществляемый при помощи высокоамплитудных взмахов , во время него насекомое движется относительно земли.
• стоячий (трепещущий) полет - насекомое производит мелкие движения, при этом оно висит в воздухе, но не летит вперед.

Способность к машущему полету имеют все крылатые отряды, а стоячий могут продемонстрировать лишь мухи, бабочки и некоторые другие, довольно немногочисленные насекомые. При этом во время стояния на месте кончик крыла описывает фигуру восьмерки. Если же насекомое смещается вперед, эта фигура «растягивается», и крыло «рисует» синусоиду. (видео)

Скорость и дальность полета

Казалось бы, чем легче насекомое, тем быстрее оно должно летать, но в живой природе все нередко происходит наоборот. Чем меньше размеры у летуна, тем труднее ему противиться току воздуха, и тем больше усилий надо прикладывать для перемещения. Поэтому быстрее всего летают средние и крупные мухи, бабочки и стрекозы. Жуки им в этом уступают: с увеличением размера тела Жесткокрылые становятся более тяжелыми и неповоротливыми. Так, например, бабочка бражника в полном безветрии способна перемещаться на 15 м за одну секунду (54 км/ч) 1046 раз в секунду.

Внешние условия, такие, как ветер и дождь, очень сильно влияют на возможность полета. Обычно насекомые стараются не взлетать при неблагоприятных условиях среды. Однако у некоторых существуют весьма необычные взаимоотношения с природными явлениями. Например, при скорости ветра до 0,7 м/с синие мясные мухи летают очень активно - такая интенсивность течения воздушных потоков действует на них стимулирующее. Однако, как только показатель достигнет больших величин, полет у этих Двукрылых сразу же становится крайне непопулярным занятием.

Во время расселения или миграций насекомые порой могут совершать достаточно длительные перелеты, но на это способны не все. Например, большинство мух в спокойных условиях преодолевают несколько метров, а затем присаживаются отдохнуть. Если лишить их такой возможности, они пролетят чуть больше километра, а затем устанут и упадут. Другие же достаточно сильны для того, чтобы перелетать на куда большие расстояния. Например, стрекоз видели посреди Карибского моря более, чем за 500 км от ближайшего участка суши. Если учесть, что такое насекомое обладает достаточным запасом сил, чтобы вернуться назад, оно показывает фантастические результаты выносливости.