Как насекомые создают силы для полета - реферат

Новосибирский муниципальный технический институт.

Реферат по курсу спец. главы физики

на тему:

"Как насекомые делают силы, нужные для полета."

Факультет: РЭФ

Группа РФ 1-92

Выполнила: Вохмина Н.В.

Новосибирск 2000.

Содержание.

Введение

3

Физические базы полета.

3

Строение крылового аппарата.

4

Подходы нестационарной аэродинамики.

5

Как образуются вихревые кольца.

6

Эволюция аэродинамики полета насекомых.

7

Заключение.

9

Литература.

10

Введение.

Кто из нас Как насекомые создают силы для полета - реферат не любовался бесшумным полетом бабочек на залитой солнцем поляне либо быстрыми бросками мухи – журчалки над расцветающей геранью? Кто не замирал от удивления, следя за виртуозными движениями стрекоз, гоняющихся вереницей повдоль берега? Все мы отдаем подабающее полетному мастерству этих маленьких созданий. Но самое поразительное заключается в том, что насекомые Как насекомые создают силы для полета - реферат научились летать очень издавна – более трети млрд лет прошло с того времени, как насекомые порхают и носятся над поверхностью Земли. А наши познания о том, как работает крыловой аппарат, до сего времени поверхностны.

Главным вопросом в исследовании полета насекомых остается неувязка сотворения аэродинамических сил в машущем полете. Узнать Как насекомые создают силы для полета - реферат природу этих сил пробовали еще 1-ые исследователи полета насекомых. Германский исследователь Е.Хольст в 1943 году первым экспериментально обосновал, что господствовавшие ранее представления о полете насекомых как о гребном не соответствуют механизму работы машущего крыла. На замену облегченным и неточным представлениям об отбрасывании воздуха пришел так именуемый квазистационарный подход, при котором аэродинамические Как насекомые создают силы для полета - реферат процессы сводились к теории стационарных состояний, поддающихся расчету способами традиционной аэродинамики. Исследование полета саранчи в Английском противосаранчовом центре (The Antilocust Research Centre), в 1956 году показало высочайшее совпадение расчетных данных с реально измеренными средними значениями аэродинамических сил. Невзирая на общепризнанность квазистационарного подхода, никому больше не удавалось достигнуть соответствия расчетных Как насекомые создают силы для полета - реферат значений сил реальным, что принуждает полагать наличие дополнительных аэродинамических сил. Не считая того, многие создатели отмечают нестационарный нрав создаваемых в полете сил и необыкновенное поведение воздушных струй за летящим насекомым.

Физические базы полета.

Локомоция в сплошных средах (воздухе и воде) так отличается от передвижения на границе раздела сред, что Как насекомые создают силы для полета - реферат заслуживает особенного внимания природа сил, делающих такое движение вероятным. Сплошная среда представляет собой континуум, в каком не на что опереться, не от чего оттолкнуться. В вязкой воды, каков является вода и воздух, вероятны две главные формы движения: ламинарное, либо слоистое, когда полосы тока параллельны друг дружке, и турбулентное, при котором происходит Как насекомые создают силы для полета - реферат смешивание воды. В турбулентных течениях скорость и давление в каждой точке места неизменны и характеризуются нерегулярными высокочастотными пульсациями.

Всякое тело, движущееся в сплошной среде, испытывает на собственной поверхности обычные и касательные напряжения. Их результирующая представляет собой силу полного сопротивления среды движению тела, при этом вектор силы полного Как насекомые создают силы для полета - реферат сопротивления далековато не всегда совпадает с направлением движения. Проекция полного сопротивления тела на ось х в высокоскоростной системе координат (ось х ориентирована повдоль скорости движения, ось z перпендикулярна к ней в горизонтальной плоскости, а ось у - в вертикальной) есть лобовое сопротивление, проекция же на ось у при положительном у есть подъемная Как насекомые создают силы для полета - реферат сила, при отрицательном – зависимо от того, где происходит движение, или топящая (в воде), или отрицательная подъемная сила (в воздухе). Лобовое сопротивление складывается из сопротивления трения и сопротивления давления либо сопротивления формы (разности давлений впереди и сзади тела). Количественно лобовое сопротивление и подъемная сила выражаются формулами:

где S – некая соответствующая Как насекомые создают силы для полета - реферат площадь тела, V - скорость движения, r- плотность среды, сх и су – безразмерные коэффициенты соответственно лобового сопротивления и подъемной силы. Они зависят от формы передвигающегося тела, его ориентации в пространстве, но, сначала от соотношения сил инерции (они появляются в давлении на кожа) и трения, которые определяются вязкостью Как насекомые создают силы для полета - реферат. Соотношение этих сил дает безразмерный комплекс, численное значение которого должно быть схожим у схожих течений. Другими словами, идет речь о масштабном аспекты, который дает возможность ассоциировать движение разных объектов, имеющих различные свойства. Этот комплекс получил заглавие числа Рейнольдса (Re):

где l – соответствующий размер, m - вязкость среды, r- плотность среды.

Спектр Re био Как насекомые создают силы для полета - реферат объектов довольно велик [1] – от 10-6 (бактерии) до 107 (большие китообразные). Этот ряд начинают маленькие организмы, движение которых полностью находится в зависимости от вязкости, и кончают большие плавающие, на движение которых влияют в главном силы инерции. Стоит инфузории закончить двигать ресницами, как она здесь же останавливается. Рыбе же довольно один Как насекомые создают силы для полета - реферат раз стукнуть хвостовым плавником, чтоб сравнимо длительно скользить вперед. Когда такое мелкое насекомое, как трипс, перестает двигать крыльями, оно останавливается, птица же при всем этом продолжает по инерции двигаться вперед.

По мере роста роли инерционных сил с ростом Re в движении животных все большее значение приобретает подъемная сила. При Как насекомые создают силы для полета - реферат Re = 103 подъемная сила втрое и поболее превосходит лобовое сопротивление. Так, для крыла мухи – каллифоры отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению равно 3:1, а у более больших насекомых оно еще более. Там, где силы инерции преобладают над силами трения, движение животных основано приемущественно на использовании подъемной силы.

Строение крылового аппарата.

Локомоторным центром Как насекомые создают силы для полета - реферат насекомого является грудь. Два ее сектора – средне – и заднегрудь, которые снабжены крыльями - объединяют под общим заглавием "птероторакс". В крыловых мышцах груди осуществляется переход энергии из хим формы в механическую. Таким макаром, птероторакс можно сопоставить с движком летательного аппарата. Усилие сокращения мускул передается на крылья через скелет и Как насекомые создают силы для полета - реферат систему маленьких пластинок в корне крыла. Крылья совершают взмахи и генерируют аэродинамические силы.

Крыло насекомого представляет собой уплощенный вырост стены грудного отдела, покрытого 2-мя слоями кутикулы, крепко соединенными вместе. Дорсальная поверхность крыла равномерно перебегает в спинной отдел скелета, вентральная – в боковую стену сектора. В области сочленения находятся уплотненные участки скелета – склериты, их Как насекомые создают силы для полета - реферат обоюдное размещение меж краем спинки и крылом характеризуется серьезной упорядоченностью, тут же сосредоточен ряд суставов [2,3].

Крылья насекомых в отличие от крыльев летающих позвоночных животных лишены своей мускулатуры и приводятся в движение сокращениями мускул груди. (рис.1). Морфункциональную связь меж мускулами и крыльями производят скелет птероторакса и крыловые Как насекомые создают силы для полета - реферат сочленения. Усилие от сокращения мускул передается сначала на спинную область сектора – тергум, а потом на основание крыльев. Крыло насекомого представляет собой рычаг первого рода и для того, чтоб поднять либо опустить его, совершенно необязательно прикладывать усилие к длинноватому плечу – пластинке крыла. Довольно на маленькой угол опустить либо поднять куцее плечо, надавив на Как насекомые создают силы для полета - реферат него краем спинки (рис. 1). Последняя уплощается либо выгибается под действием мускул, именуемых мускулами непрямого деяния.От этой схемы резко отличается работа летательного аппарата у стрекоз. У их крыловые мускулы прикрепляются конкретно к основаниям крыльев (рис. 1). Такие мускулы, именуемые крыловыми мускулами прямого деяния, при сокращении тянут крылья Как насекомые создают силы для полета - реферат за основания вниз, опуская их на некий угол. У всех иных насекомых мышцы – опускатели относятся к крыловым мускулам непрямого деяния, потому что прикрепляются не к основаниям крыльев, а к двум складкам спинки впереди и сзади от крыла. Когда такие мускулы сокращаются, спинка аркообразно выгибается, приподнимая основания крыльев, вследствии чего их лопасти Как насекомые создают силы для полета - реферат опускаются. Мышцы – подниматели опускают спинку, а с ней и основания крыльев, что приводит к движению крыльев ввысь. У стрекоз мышцы – подниматели опускают спинку, а с ней и основания крыльев, что приводит к движению крыльев ввысь. У стрекоз мышцы – подниматели прикрепляются близко друг к другу на спинке, а сама спинка Как насекомые создают силы для полета - реферат малая и не играет большой роли в движении крыльев, но крыловые мускулы прямого деяния развиты у их посильнее, чем у других насекомых. Такая система движения крыльев неспособна обеспечить их резвые взмахи, но обладает тем преимуществом, что каждое из 4 крыльев работает независимо. Это позволяет стрекозам совершать в воздухе разные сложные Как насекомые создают силы для полета - реферат маневры. Все остальные насекомые (мухи, перепончатокрылые, клопы) не много уступают стрекозам в маневренности, которая достигается взмахами крыльев правой и левой сторон с тотчас очень высочайшей частотой. Не считая того, большая часть насекомых владеют способностью изменять наклон плоскости взмаха по отношению к продольной оси тела.

Подходы нестационарной аэродинамики.

Разглядим природу сил Как насекомые создают силы для полета - реферат, создаваемых при взмахе крыла насекомого. Крыло, совершающее колебательные движения, то ускоряется, то тормозится, в последних точках взмаха оно испытывает вращение вокруг собственной продольной оси. Такое движение нестационарно, и для его описания неприменимы способы, разработанные в традиционной аэродинамике для крыла либо для пропеллера. Все же есть подходы, цель которых состоит Как насекомые создают силы для полета - реферат в приближении имеющихся традиционных способов к сложной картине движения крыльев насекомых при взмахах. Два из их более популярны. При описании машущего полета на базе квазистационарного подхода, допускают, что крыло насекомого – узкая пластинка, обтекаемая потоком с неизменной скоростью (силовые коэффициенты постоянны по размаху и по времени), а аэродинамическое взаимодействие Как насекомые создают силы для полета - реферат меж правым и левым крыльями отсутствует.

В центре современной теории крыла находится постулат Чаплыгина – Жуковского: задняя кромка крыла является линией, по которой стекает поток с верхней и нижней поверхностей крыла. Как крыло начинает двигаться (рис. 2, а, 1), на его задней кромке появляется вихрь (рис. 2, а, 2). Этот вихрь стремительно вырастает до того Как насекомые создают силы для полета - реферат времени, пока не закончится движение воды вокруг задней кромки крыла, другими словами пока она не станет линией схода потока с верхней и нижней поверхностей (рис2, а, 3). Как это произойдет, вихрь отрывается и уносится с потоком. Отрыв разгонного вихря индуцирует циркуляцию определенной величины вокруг крыла, которую можно представить Как насекомые создают силы для полета - реферат так именуемым присоединенным вихрем (рис. 2, а, 2). Направление его вращения обратно таковому разгонного вихря. Наложение набегающего потока на циркуляцию вокруг крыла делает знакомое из традиционной аэродинамики рассредотачивание давление по аэродинамическому профилю (рис. 2, б), в связи с чем величина подъемной силы, приходящейся на единицу размаха крыла, определяется из аксиомы Жуковского

где Как насекомые создают силы для полета - реферат Г- циркуляция потока вокруг профиля. Зависимость коэффициентов подъемной силы и лобового сопротивления от угла атаки выражается средством поляры Лилиенталя, которую можно представить как кривую, описываемую вектором полной аэродинамической силы R при изменении угла атаки (рис. 2,в). В свою очередь, полная аэродинамическая сила раскладывается на вертикальный (подъемная сила Y) и Как насекомые создают силы для полета - реферат горизонтальный компонент (сопротивление крыла Q).

В согласовании с этим подходом обтекание крыла, совершающего взмахи, рассматривается как последовательность отдельных стационарных ситуаций, когда переменами угла атаки и скорости набегающего потока можно пренебречь. Моментов, удовлетворяющих квазистационарному подходу, в цикле взмаха два: один из моментов приходится на огромную часть нисходящей ветки линии движения, другой Как насекомые создают силы для полета - реферат на нижнюю третья часть восходящей (рис. 2, г). При движении вниз крыло делает подъемную силу и тягу, при махе ввысь – тягу и отрицательную подъемную силу. Делает ли крыло какие – или силы в другие фазы взмаха, непонятно, потому что процессы, происходящие в верхней и нижней точках линии движения, не поддаются описанию с позиции Как насекомые создают силы для полета - реферат квазистационарного подхода.

Можно посмотреть на делему сотворения аэродинамических сил машущим крылом и с другой стороны. В итоге взаимодействия передвигающихся крыльев с потоком воздуха последний ускоряется и отбрасывается вниз и вспять. Импульс силы, получаемый насекомым, ориентирован вперед и ввысь. Оценка создаваемых сил по импульсу потока воздуха, отбрасываемому машущими Как насекомые создают силы для полета - реферат крыльями, обширно используется при исследовании особенного режима машущего полета, когда насекомое вроде бы висит на одном месте. Подобно тому, как поступательный полет стараются осознать, применяя теорию крыла самолета, так для зависающего полета пробуют применить теорию пропеллера. Все теории пропеллера сводятся, в конечном счете, к тому, как появляется и отбрасывается струя Как насекомые создают силы для полета - реферат воздуха. В согласовании с данным подходом характеристики взаимодействия крыльев с потоком не принимаются во внимание и рассматриваются как темный ящик, на выходе которого имеется поток, ускоренный работающими крыльями.

Аэродинамические силы генерируются благодаря тому, что над машущими крыльями создается зона пониженного давления, а под ними – зона завышенного давления. Импульс силы, получаемый Как насекомые создают силы для полета - реферат насекомым, равен по величине и противоположен по направлению момент сил, переданному машущими крыльями окружающей среде. Как следствие взаимодействия машущих крыльев с воздухом за летящим насекомым остается аэродинамический след, структура которого содержит информацию о природе сил, создаваемых в машущем полете.

Как образуются вихревые кольца.

Разглядим работу машущего крыла с Как насекомые создают силы для полета - реферат позиции принципов, заложенных в обоих подходах. Как крыло начинает двигаться, у его задней кромки появляется разгонный вихрь. Этот вихрь через концевые вихри смыкается с циркуляционным потоком вокруг крыла, образуя кольцо (рис. 3 ,а). При неожиданной остановке движущего крыла слой приторможенного воздуха, более близкий к поверхности профиля (пограничный слой Как насекомые создают силы для полета - реферат), верхней дужки профиля, передвигающейся более стремительно, ежели на нижней дужке, обтекая заднюю кромку, сворачивается в вихрь, который имеет обратное по сопоставлению с разгонным направление вращения и такую же по величине интенсивность; он именуется тормозным вихрем. Таким макаром, движущее крыло несет вихревое кольцо, которое освобождается при его остановке.

Если сейчас представить Как насекомые создают силы для полета - реферат, что крыло совершает колебания в плоскости, перпендикулярной к набегающему сгустку, то попеременно отделяющиеся от крыла разгонные и тормозные вихри образуют цепочку сцепленных вместе вихревых колец (рис. 3, б). Кольцо, образовавшееся при махе вниз, будет владеть импульсом, направленным вниз и вспять, и в то же время крыло из-за перепада давления на Как насекомые создают силы для полета - реферат его верхней и нижней поверхностях разовьет подъемную силу и тягу и отрицательную подъемную силу, а кольцо, образовавшееся в это время, будет владеть импульсом, направленным ввысь и вспять. Как следует, в возмущениях, которые создают в воздухе машущие крылья, либо, по другому в аэродинамическом следе, который они оставляют, вроде бы Как насекомые создают силы для полета - реферат в зашифрованной форме содержится информация о нраве взаимодействия крыльев с воздушными потоками. Структура следа – собственного рода ключ к осознанию природы сил, создаваемых машущими крыльями.

Эволюция аэродинамики полета насекомых.

Работа крыла реального насекомого отличается от рассмотренной схемы тем, что только верхушка крыла совершает колебания относительно недвижного основания. Не считая того Как насекомые создают силы для полета - реферат, само крыло в верхней и нижней точках взмаха испытывает вращательные колебания относительно собственной длинноватой оси. Все же, когда удалось в конце концов визуализировать след (другими словами сделать его видимым) парящего насекомого [2], то оказалось, что его форма практически схожа форме следа, который появляется за крылом, совершающим колебания в плоскости Как насекомые создают силы для полета - реферат, перпендикулярной к набегающему сгустку (рис. 3, б) в первый раз трехмерную картину аэродинамического следа за летящим насекомым средних размеров с относительно низкой частотой крыловых взмахов (30 Гц) – для бабочки – толстоголовки (рис. 4). Какова же она? Сначала, след представляет собой систему попеременно наклоненных к оси вихревых колец. Через отверстия колец проходит толстая волнообразно изгибающаяся струя воздуха Как насекомые создают силы для полета - реферат. Если вертикальной продольной плоскостью рассечь таковой след, то получим его плоское изображение (рис. 3,б), так именуемую вихревую дорожку – вокруг центральной струи в шахматном порядке размещаются вихри, крутящиеся навстречу друг дружке. Изменение характеристик взмаха крыльев, таких как амплитуда колебания, частота, наклон плоскости взмаха к продольной оси насекомого и направлению Как насекомые создают силы для полета - реферат полета, сопровождается закономерным конфигурацией формы аэродинамического следа [4].

Если судить по сравнительной простоте образования и распространенности посреди многих простых насекомых, то более примитивной и, может быть, начальной формой следа можно считать ту, которая характерна крылу, колеблющемуся в плоскости, перпендикулярной к набегающему сгустку (рис. 3, б). В данном случае за телом Как насекомые создают силы для полета - реферат появляется цепочка из сцепленных вихревых колец, равнодействующая импульсов которых определяет создание аэродинамической силы, направленной четко вперед (рис. 5, а). Последнее событие вынуждает многих простых насекомых летать с огромным углом возвышения, вроде бы приподнимая тела над горизонталью и тем, направляя вихревую дорожку под углом к горизонту для того, чтоб сделать Как насекомые создают силы для полета - реферат подъемную силу. Образование сил в этом случае, как при махе вниз, так и при махе ввысь, следует трактовать с позиции квазистационарного деяния крыла [4].

Последующий шаг в эволюции полета состоял в том, что при махе вниз, осуществляемом с большенными значениями угла атаки, чем при махе ввысь, крылья стали продуцировать вихревые кольца большей Как насекомые создают силы для полета - реферат интенсивности и, как следует, наименьшего размера. Кольцо, сошедшее с крыльев в конце маха вниз, имеет наименьший поперечник, вследствие чего ось следа отклоняется вниз, а равнодействующая импульсов колец ориентирована под углом ввысь (рис. 5, б). Образующая за крыльями вихревая дорожка получила заглавие косой, а природа сил, создаваемых при взмахе Как насекомые создают силы для полета - реферат крыльев, в принципе такая же, что и в прошлом случае.

У неких насекомых в полете за крыльями появляется вихревой след, форма которого подобна той, которая свойственна для более простых насекомых (рис. 5 , в). Есть, но, существенное отличие. Исследования проявили, что кольцо малого поперечника, образовавшееся при махе вниз, во время подъема крыльев расширяется Как насекомые создают силы для полета - реферат. Как и в прошлом случае (рис. 5, б), в этом случае мах вниз активнее, чем ввысь, но из-за того, что кольцо малого поперечника при подъеме крыльев расширяется, след воспринимает вид прямой вихревой дорожки. Расширяющееся кольцо присваивает ускорение струе воздуха, направленной косо вниз, что, по предположению компенсирует отрицательную подъемную силу, создаваемую Как насекомые создают силы для полета - реферат при махе ввысь. В конечном итоге рассредотачивание сил в цикле взмаха смотрится последующим образом: подъемная сила создается при махе вниз, а тяга – в течение всего цикла взмаха. Как следует, генерацию сил при махе ввысь можно разъяснить с позиций нестационарного деяния крыла. Более того, при развороте крыльев в Как насекомые создают силы для полета - реферат высочайшей точке взмаха они отталкивают наиблежайшее к телу кольцо, а вкупе с ним и всю цепочку вспять, в итоге чего насекомое получает маленький толчок вперед. Как следует, образование сил в высочайшей точке взмаха можно разъяснить действием механизма, близкого к реактивному.

Роль последнего увеличивается у ширококрылых бабочек, которые в полете Как насекомые создают силы для полета - реферат отбрасывают дискретные вихревые кольца. У этих насекомых по мере ускорения полет цепочка вихревых колец поначалу размыкается в высочайшей точке взмаха (рис. 5, г), что достигается энергичным хлопком крыльев над спинкой, а потом и в нижней точке. В конечном итоге при более высокоскоростном миграционном полете, также при взлете крылья бабочки отбрасывают дискретные Как насекомые создают силы для полета - реферат вихревые кольца: при хлопке крыльев в высочайшей точке кольцо отбрасывается вспять бабочка получает толчок вперед; в нижней точке взмаха бабочка хлопает крыльями и отбрасывает кольцо вниз, получая вследствие этого толчок ввысь. И в конце концов, у насекомых с высочайшей частотой взмаха крыльев отбрасывание маленьких дискретных колец становится главным методом Как насекомые создают силы для полета - реферат сотворения нужных аэродинамических сил.

Заключение.

Таким макаром, разъяснение природы сил, создаваемых машущими крыльями, нельзя свести только к квазистационарному действию крыла. У многих насекомых при взмахе ввысь, когда ранее образовавшееся кольцо расширяется и ускоряет струю воздуха вспять, появляется краткосрочный импульс силы, происхождение которого следует отнести на счет нестационарного деяния Как насекомые создают силы для полета - реферат крыла. Значение механизма, аналогичного реактивному, когда насекомое отбрасывает вспять вихревые кольца, резко усиливается по мере того, как непрерывная цепочка колец разрывается. Существенную роль в этом играют особенные движения крыльев, а именно их хлопок в верхней либо нижней точке взмаха. Германский исследователь В. Нахтигаль разглядел несколько особенных движений крыльев, которые могут Как насекомые создают силы для полета - реферат иметь значения исходя из убеждений сотворения аэродинамических сил методом, хорошим от квазистационарного. Эти движения крыльев порождают разные, еще недостаточно изученные нестационарные эффекты, роль которых в полете, непременно, увеличивается по мере того, как наблюдается рост частоты взмаха крыльев.

Литература.

1. Шмидт – Ниельсон К . Размеры животных: Почему они так важны? М Как насекомые создают силы для полета - реферат.: Мир, 1987. 260с .

2. Бродский А.К. Механика полета насекомых и эволюция их крылового аппарата. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. 207 с.

3. Захваткин Ю.А. Курс общей энтомологии. М.: Агропромиздат, 1986. 320 с.

4. Brodsky A.K. The Evolution of Insect Flight. Oxford: Oxford Univ Press, 1994. 229 p.

5. Бродский А.К., Львовский А.Л. Пауки, насекомые. Л.: Ленинздат Как насекомые создают силы для полета - реферат, 1990. 140 с.



kak-nauchitsya-brat-pod-kontrol-svoyu-zhizn.html
kak-nauchitsya-izbegat-trati-energii-na-pustie-razmishleniya.html
kak-nauchitsya-mislit-sistemno-metodologicheski.html