Международный коллектив ученых выяснил, насколько легко приходится шмелям летать в сильно ветреную погоду. Оказалось, что даже в условиях значительной турбулентности особый механизм создания подъемной силы позволяет насекомым оставаться на лету с минимальными дополнительными затратами энергии. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Авторы проводили численное моделирование полета шмеля в виртуальном «аэродинамическом канале». Для этого ученые разбивали пространство на 680 миллионов ячеек, в каждой из которых решали дифференциальные уравнения Навье-Стокса, которые описывают течение газа (воздуха, в данном случае). При этом модель шмеля играла роль жесткого препятствия. Для того, чтобы правильно воссоздать, как шмель машет крыльями, авторы пользовались более ранней записью полета насекомого на скоростную камеру.
В компьютерном эксперименте шмель двигался вперед со скоростью два с половиной метра в секунду. Авторы варьировали параметры потока, плавно увеличивая интенсивность турбулентности: отношение средней скорости турбулентных вихрей к средней скорости потока воздуха.
Измерив среднюю мощность, которую шмелю приходилось затрачивать, чтобы оставаться в полете, ученые отметили, что она практически не изменялась в зависимости от интенсивности турбулентности: от 84.05 до 85.44 ватт на килограмм массы. Однако, возникающий вращательный момент (в случае реального шмеля) приводил бы к неизбежному крену. На его компенсацию насекомому потребовалось бы затратить значительную энергию.
Летающие насекомые, такие, как шмели или мухи, являются перспективным моделью для создания дронов нового поколения. В современных устройствах применяются вращающиеся роторы, тогда как насекомые машут крыльями вперед и назад. При этом подъемная сила возникает благодаря вихрям на передней кромке крыла. Такой механизм оказался эффективным в борьбе с турбулентными потокам.
Интересно, что сильный ветер еще не обязательно влечет за собой образование турбулентных участков. К примеру, шмель, летящий над полем, будет восприимчив к резким порывам ветра, но не вихрям. Для того, чтобы образовалась развитая турбулентность, необходимы препятствия, например, стволы деревьев.