Skok na obsah

Techblog > Fyzika > Jak létá hmyz – proč čmelák může létat

[CNW:Counter] TOPlist
22. 1. 2006 - Fyzika

Jak létá hmyz – proč čmelák může létat

Od doby, kdy někdo prohlásil, že čmelák ani včela nemohou létat, rádi říkáme, že to dotyčný hmyz určitě neví, a proto létá. Nyní nastal čas, abychom řekli včelkám a čmelákům: Už můžete létat.

Klasická aerodynamika let čmeláka nevysvětlí

Lev včely k jetelu

Domněnka o nemožnosti letu čmeláka a včely pramení z toho, že kdosi použil aerodynamiku, která se osvědčila u všech současných letadel a vrtulníků, na malý hmyz. Je to něco podobného, jako byste šli s klasickou fyzikou na kvantové jevy – vycházely by úplné nesmysly. Jak jsme na začátku dvacátého století objevovali kvantovou mechaniku, tak teprve nyní pronikáme do záhad letu hmyzu. Dnes umíme zjistit chování letadel s komplikovaným tvarem křídla při různých rychlostech a úhlech náběhu. Výpočty dobře souhlasí s praxí. Co se stane, když totéž použijeme pro křídla včely? Proč to nefunguje? Teorie aplikované na velká letadla pracují zejména se statickým obtékáním profilu křídla. Nabíhající proud vzduchu má konstantní rychlost a nanejvýš zahrnujeme změnu úhlu náběhu v jednotkách stupňů. Ale obyčejná včela mávne křidélky asi dvěstěkrát za sekundu. Dokážete si jistě představit, jaké vzdušné víry, i když miniaturní, vznikají. A to je důvod, proč klasická aerodynamika selhává a zároveň v tom spočívá kouzlo čmeláčího letu.

Tři kouzla udrží čmeláka ve vzduchu

Teprve na konci dvacátého století jsme začali pomalu pronikat do tajů hmyzího letu. Objevili jsme tři základní druhy vzniku vztlaku, které běžné teorie nezahrnují, ale pro včely a čmeláky jsou klíčové. Tyto tři jevy popisují síly vznikající za letu hmyzu s velmi malými odchylkami.

Nedříve vědci přišli na to, že hmyzí křídla nejsou obtékána laminárně ani turbulentně, nýbrž převážně vírově. Vírové proudění bylo poprvé popsáno až začátkem devadesátých let. Narozdíl od laminárního a turbulentního proudění zde nesledují proudnice ani přibližně tvar obtékaného profilu, ale na podtlakové (v běžné poloze horní) části se vytvoří vír. To nastane při velkém úhlu náběhu křídla vůči vzduchu. Při vírovém proudění je vztlak výrazně vyšší než u jiných druhů, ale dopředný odpor je také velký, tudíž křídla velkých letadel takto obtékaná nikdy nebudou.

Vírové obtékání desky
Proudnice kolem vírově obtékané desky

Později výzkumníci objevili, že pouhé vírové proudění by stále včelu/čmeláka neuneslo a vypočtené hodnoty vztlaku se stále neshodovali s experimentálními naměřenými na modelu mávajících muších křídel. Pátrali dále a přišli na to, že se křidélka při rychlém pohybu nahoru a dolů dostávají do oblasti, kde je vzduch rozvířen od předchozího mávnutí – takzvaného úplavu. Když to zahrnuli do výpočtů, výrazně se přiblížili naměřeným hodnotám. Včely už skoro mohly létat. Scházelo vysvětlit maxima sil v horní a dolní poloze křídel, kde rychlost mávání mění směr.

Tento jev je asi nejsložitější. Je způsoben tím, že včelka, čmelák nebo jakýkoliv "hmyzák" v horní a dolní "úvrati" natáčí křídlo kolem jeho nejdelší osy o poměrně velký úhel. Potom u křídla nastane obdoba Magnusova efektu, který například způsobuje falše u vhodně nakopnutých fotbalových míčů či správně odehraných ping-pongových míčků. Na jedné straně rotujícího tělesa je rychlost pohybu vůči okolí vyšší než na druhé a to způsobí rozdíl tlaků na protilehlých stranách , a tím zatáčení ve směru kolmém na osu rotace. Válec rovnoběžný se zemí roztočený na velké otáčky (Flettnerův rotor) s nějakou počáteční dopřednou rychlostí by mohl nést i letadlo místo křídla. Takové pokusy probíhaly jak na letadlech, tak na lodích (válec umístěný svisle místo plachet). Mezi kulatým tvarem válce či koule a plochým hmyzím křídlem je zásadní rozdíl, ale princip vzniku síly je obdobný.

Magnusův efekt znázorněný na válci
Magnusův efekt znázorněný na obtékání rotujícího válce se zobrazením výsledné síly. Obtékání křídla hmyzu je podstatně složitější.
Credit: Ruprecht Nennstiel

Po odhalení těchto tří jevů, jsme schopni vysvětlit let malého hmyzu s rychle mávajícími křídly. Vážky se dvěmi páry velkých křídel jsou něco jiného, i když výše uvedené se u nich projevuje také.

Jak létá včela

Nedávno se vědci zaměřili přímo na let včely. Natáčeli její let kamerou rychlostí 2 tisíce snímků za sekundu. Záběry poté analyzovali a zjistili, že včela mává křídly v rozpětí pouhých 90° s frekvencí přibližně 230 mávnutí za sekundu. Mouchy a podobný hmyz mává v rozpětí přesahujícím 100°, někdy se přiblíží 180° s frekvencí v závislostí na velikosti. Čím menší "muška", tím rychleji mává. Moskyt zvládne v jedné sekundě 400 mávnutí. Vzhledem ke své velikosti mává včelka velmi rychle. Osmdesátkrát lehčí pestřenka v jedné sekundě stihne o 30 kmitů méně.

Popis tří fází pohybu křídla včely při letu

Co se stane, když včelka nabere zásobu nektaru a pylu a stane se skoro dvakrát těžší? Na první pohled by se zdálo, že začne křídly kmitat rychleji. Pravdou je, že pouze zvětší oblouk, ve kterém křidélky mává. Energeticky efektivnější by při tom skutečně bylo zvýšení frekvence. To však včelka neumí, protože ji v tom brání konstrukce svalů, která je přizpůsobena kmitaní na 230 Hz. Ostatně právě svaly mají včely odlišné od jiných druhů hmyzu, takže si létají po svém.

Robotická včela

Cílem výzkumu je poznat plně aerodynamiku a mechaniku letu hmyzu nejen z čisté zvědavosti, ale zvláště proto, abychom mohli v budoucnu vyrobit létajícího mikrorobota – robotickou včelu nebo mouchu. Ty by sice mohly sloužit pro zábavu, vybavené kamerou k vyhledávání lidí v nepřístupných prostorách nebo také pravděpodobněji k vojenským účelům. Malá dálkově ovládaná muška s kamerou a mikrofonem je ideální pro odposlech a špionáž. Velmi nepříjemné by bylo, kdyby místo kamery nesla chemické nebo biologické zbraně. Několik much by snadno zlikvidovalo přesně vybrané oběti.

Ať už se z robotického hmyzu vyvine cokoliv, už nikdo nemůže říct, že by čmelák nebo včela neměla létat. Už víme, že létat mohou a žádná teorie jim v tom nebrání.

Další informace

Napsal Martin Srubar v 23:52 | Komentáře (7)
Dočetli jste článek? A co nyní?
Pokračujte třeba čtením starších či novějších článků na obdobná témata v této rubrice.

Starší příspěvek: Je studená fúze realita nebo podvod?
Novější příspěvek: Testování kvantové gravitace

Nebo se podívejte na titulní stránku, co je nového. > Přejít na titulní stránku
Pokud máte čas a chcete si počíst, doporučuji archív. > Přejít na archív
Jestli vás zajímá něco konkrétního, vyhledejte si na Techblog.cz právě to své téma.

Weblog pro ty, které zajímá věda a technika.

Téma…

Časopis 21. století

Časopis 21. století
Časopis 21. století je nejznámější a nejoblíbenější vědecko-technický časopis. Na čem je ale založena jeho popularita? Z velké části jsou v něm obsaženy nesmysly. Jde o záměr nebo je to pouze neschopností autorů? Upřímně řečeno, co by odborník získal tím, že by v něm publikoval?
13. 8. 2004
Speciály…

Energetická krize

Energetická krize
Za dveřmi je energetická krize. Co budeme dělat, až dojde ropa a další fosilní paliva? Sledujte vývoj alternativních druhů energie a pohonů a hledání nových ropných nalezišť.