بالهای کوچک ، پروازهای بزرگ

حشرات قدرت شگفت انگیزی در پرواز دارند ، آنها می توانند در حالی که در هوا معلقند ، بال نزنند ، به سمت عقب پرواز کنند ، در مدت کمی تا سرعتی بیش از 150کیلومتر در ساعت شتاب بگیرند و حتی حرکات آکروباتیکی انجام دهند

کد خبر: ۲۶۹۴۲

و خلبان یک جنگنده پیشرفته را از رو ببرند. این که حشرات چگونه قادر به انجام این کارها هستند ، از 30سال پیش تاکنون موضوع بحث دانشمندان بوده است . آنها تفاوت هایی اساسی با هواپیماها و دیگر اسباب پروازی ساخته دست بشر دارند. حرکت هواپیما وابسته به جریان هوایی است که از روی بالهای هواپیما می گذرد و این موتورهای هواپیما هستند که آن را به جلو می رانند ؛ ولی حشرات که موتور ندارند! آنها با حرکت سریع بالهایشان جریان هوایی آشوبناک ، متلاطم و ناپایدار ایجاد می کنند که نیروی بالابری ، چند برابر آنچه که طبق قوانین آیرودینامیک پیش بینی می شود ، تولید می کند ؛ اما به نظر می رسد این تنوع شگفت انگیز در توانایی حشرات ، اسرار خود را سرانجام بازگو می کند. این بار ، یک ظرف روغن و مقداری حباب هوا به یاری دانشمندان آمدند! تحقیق روی حشرات ، کار بسیار مشکلی است ؛ چراکه آنها بسیار کوچکند و خیلی سریع بال می زنند. به همین دلیل ، تحقیقات اخیر روی hawk mouth متمرکز شده است که طول بالهای آن حدود 8سانتیمتر است و نسبتا حشره بزرگی به شمار می رود. برای انجام آزمایش ، hawk mauth را با بالهای باز درون یک تونل باد قرار دادند. تونل باد ، محفظه ای است شبیه تونل که در آن می توان جریان هوا را با فشار و سرعتهای مختلف تولید کرد. در واقع ، تونل باد یک محیط شبیه ساز شرایط مختلف جوی است و دانشمندان ، جریان هایی از دود را درون آن به راه می اندازند تا بتوانند الگوهای جریان را مشاهده کنند. آنان مشاهده کردند وقتی دود از روی حشره عبور می کند ، در لبه جلویی بالها چیزی شبیه یک استوانه چرخان از دود تشکیل می شود. چگونگی تشکیل این حلقه ها تا 4سال پیش در پرده ابهام بود. برای بررسی بیشتر ، یک مدل بزرگ از این حشره ساخته شد، از جنس پلکسی گلاس با بالهایی به طول یک متر. وقتی بالها در هوای چرخنده اطراف تکان می خوردند ، دود به سمت پایین جریان می یافت . محققان توانستند جزییات حلقه های تشکیل شده اطراف بالها را بخوبی ببینند و دریابند که این کلید حل معمای پرواز حشرات است ! خلبان با بالا کشیدن دماغه هواپیما می تواند اوج بگیرد؛ اما اگر این کار را با شیب تندی انجام دهد، ممکن است هوایی را که روی بالها جریان دارد ، دچار تلاطم کرده و موجب توقف ناگهانی حرکت شود. درست پیش از توقف ، یک تکان ناگهانی به سمت بالا وجود دارد. هوا به لبه جلویی بالها ضربه وارد می کند ، روی خودش خم شود و یک جریان گردابی به وجود می آورد که بسرعت گسترش می یابد و درست وقتی که بالها متوقف می شوند ، این جریان گردابی از بال جدا می شود. اما حشرات این اثر را مهار می کنند: آنها در نقطه توقف به طور پیوسته بال می زنند. هنوز دانشمندان توضیحی برای این که حشرات چگونه این اثر را کنترل می کنند ، نیافته اند. این جریان گردابی ، شکل یکنواختی ندارد. این جریان به صورت یک مارپیچ است که حلقه های آن هر چه به سمت سر بالها نزدیک می شویم ، کوچک تر می شوند و هوا به سرعت روی محور این مارپیچ که از بدن حشره تا سر بالها پیوسته است ، جریان دارد. همین است که این جریان گردابی ، گسترش پیدا نمی کند و در ضمن ، همچنان اطراف بالها حضور دارد. هواپیماهایی مانند کنکورد که بالهایی مثلث شکل دارند، از این روش برای ایجاد جریان های گردابی در اطراف لبه بالها استفاده می کنند؛ البته آنها بیشتر مارپیچی شکل هستند تا استوانه ای . دانشمندان معتقدند که نمی توان نتایج به دست آمده از مطالعات hawkmouth را به همه حشرات تعمیم داد. برای همین ، آنها مدلی غول پیکر از مگس میوه طراحی کردند که از قرابت بیشتری با دیگر حشرات برخوردار است . این بار به جای آن که از هوا استفاده کنند، از روغن استفاده کردند تا بتوانند گرانروی هوا را همان طور که حشرات کوچک تجربه می کنند؛ اندازه گیری کنند. گرانروی ، یک خصوصیت سیال است که طی آن ، مایع راحت تر یا سخت تر حرکت می کند. مثلا گرانروی عسل بسیار بیشتر از آب است . استفاده از روغن ، این مزیت را داشت که آنها بتوانند حرکت سیال را به یک روش پیشرفته به نام سرعت سنجی دیتای دیجیتال مطالعه کنند. محققان ، در روغن هزاران حباب کوچک هوا دمیدند و به وسیله لیزر توانستند آن را روشن کنند. با این روش ، آنها می توانستند تصاویر 3بعدی از جریان هوای اطراف بال تهیه کنند. جمع بندی این اطلاعات با اندازه گیری های صورت گرفته از سوی حسگرهای بسیارریزی که روی لبه بال نصب شده بود، بهترین تصویر را از آیرودینامیک بال حشرات به دست داد. نتایج به دست آمده شگفت انگیز بود! حلقه های اطراف بال اصلا شکل مارپیچی نداشت و هیچ جریانی هم از مرکز آن عبور نمی کرد. برای اثبات این مطلب ، محققان به نقاط مختلف بال ، وسایلی برای تغییر جهت جریان متصل کردند تا مانع از عبور هر جریانی بر سطح بال شود ؛ ولی تمام اینها هم هیچ تاثیری در پرواز نداشت . محققان نتوانستند به هیچ وجه ممکن حلقه های جریان را نامتعادل کنند. افزایش زاویه حمله هم تاثیری نداشت . حلقه ها به هیچ عنوان از بال جدا نمی شدند. باور نکردنی است ! آزمایشات نشان می دهد چیزی باید وجود داشته باشد که تعادل و پایداری حلقه های جریان هوا را موجب شود ؛ ولی دانشمندان نتوانستند آن را بیابند. در واقع آنها هیچ علتی نیافتند. نتیجه غیرمنتظره دیگری که به دست آمد ، این بود که بال زدن اولیه در روغن ساکن حشره مدل را بیشتر بالا می برد. در حالی که در مراحل بعدی ، حشره در هوای متلاطم ناشی از ضربه اولیه بال می زند و نیروی بالابری کمتری به او وارد می شود. نتایج به دست آمده درباره hawkmouth و مگس میوه با یکدیگر متفاوتند. این احتمالا بدان معنی است که آیرودینامیک پرواز حشرات کوچک و بزرگ با یکدیگر متفاوت است . برای یافتن نتایج بیشتر ، محققان آزمایشات خود را روی حشرات زنده آغاز کرده اند. آنها قصد دارند با استفاده از دوربین های سریعی که قادر به عکسبرداری 5هزار صحنه در ثانیه است ، از راز پرواز حشرات پرده بردارند.