В начале XX века считалось, что шмель по законам физики не может летать. Что не так с этим утверждением?

Шмелю всё равно, что там про него говорят.
Шмель летать не должен

— известный «научный» парадокс, на самом деле, давно уже переставший быть таковым, но всё ещё нередко воспроизводимый разными недалёкими личностями. Иногда вместо шмеля подставляется майский жук, но сути это не меняет.

Полностью этот боян звучит так: «По законам физики шмель летать не должен, но он об этом не знает и всё равно летает»

. От одной только такой постановки проблемы забьётся в конвульсиях не то что учёный, но и любой здравомыслящий человек, понимающий, что наука призвана вовсе не огораживать человечество от окружающего мира, а как раз таки рационально этот мир познавать. Но обо всём по порядку.

[править] Предыстория

Суть проблемы для самых маленьких: жирдяй с малюсенькими крылышками.
Рождение сабжа овеяно легендами и относится к началу ХХ века, когда один великомудрый учёный (имена называются разные, чуть ли не сам Людвиг Прандтль) решил произвести расчёт подъёмной силы крыльев шмеля. Почему именно шмеля? Шмель — насекомое с символизирующим латинским названием Bombus, имеет слишком маленькие крылья относительно размеров и массы собственного тела, но при этом всё равно умудряется летать, в связи с чем представляет для исследований особый интерес.

Поскольку дело было только на заре аэродинамики, учёный применил к шмелю формулы расчета подъёмной силы самолётов, в результате чего потерпел фейл и заключил, что шмель летать не должен и делает это фактически вопреки законам физики. Даже если это и правда, то проделал он всё это, вероятнее всего, исключительно для лулзов, потому как не мог не понимать, что аэроплан, в отличие от шмеля, крыльями не машет, механика полёта у него совсем другая и к шмелям она по определению не подходит. Изучение полёта насекомых, таким образом, ждало своего часа. Тем не менее, попирающий основы мироздания шмель, не дожидаясь, меметизировался и полетел пошёл в народ, где снискал широкую популярность и как аргумент в пользу бессилия науки, и как годный катализатор СПГС, и просто как прикол, которым не грех под стакан повеселить друзей и коллег по работе.

Знакомство со шмелем

Шмель (земляная пчела или Bombus) относится к перепончатокрылым из семейства пчелиных. Они обитают везде (даже в прохладной Гренландии, снежной Аляске и суровой Чукотке), но вот Австралию толстые мохнатые насекомые не любят – их завезли туда недавно. В зоологическом мире 250 видов земляных пчел.

Шмель большое насекомое, его тельце с густыми черными волосками, достигает длины в 3,5-4 сантиметра. Бомбусы – существа миролюбивые и доброжелательные. Они умеют жалить, но, в отличие от пчел, кусаются неповоротливые создания редко и гораздо слабее.

Хотя при кусании земляные пчелы не оставляют жало в теле, но их яд содержит серотонин, понижающий кровяное давление. При наличии у человека аллергии, возможна сильнейшая реакция организма вплоть до анафилактического шока.

Как живет шмель.

Шмели могут быть одиночками и создавать семьи. Виды насекомых, обитающих в условиях севера (где короткое одномесячное лето), обитают в гордом одиночестве. А в благодатных, теплых районах земляные пчелы успевают за летний сезон создать семью (проживет шмелиная семья ровно одно лето).

В зонах тропика некоторые виды шмелей создают многолетние семьи с огромным количеством домочадцев (до 500 особей). Бомбусы подразделяются на три группы:

1. Королева, выводящая потомство.
2. Рабочие шмели, следящие за строительством гнезда и сбором нектара.
3. Трутни, оплодотворяющие самку. Трутень не умеет кусать – вместо жала у него половые железы.

У мохнатых насекомых существуют зимние подземные норы – там проживает матка. По весне шмели выстраивают гнезда. Шмелиные жилища похожи на пчелиные. Личинки шмелей (в отличие от иных представителей мира насекомых), вылупляются и обитают в одной капсуле. В остальных отсеках гнезда шмели оборудуют медовые склады.

Там же они хранят и перги (пчелиный «хлеб»), оно спасает мохнатых, черно-золотых созданий от периода непогоды. У шмелиной семьи есть иерархия и четкое распределение обязанностей. Кто-то строит гнездо, другие собирают пыльцу.

Матка за жизнь откладывает 300-400 яиц для вывода рабочих существ. Ее последний выводок состоит из новых маток, которые и остаются зимовать, чтобы по весне дать жизнь новому потомству. Старая матка умирает.

Гнездо шмеля (или бомбидарий) – овальные, неправильной формы ячейки, созданные из буроватого либо красного воска. Жилища шмели обустраивают в дуплах, между каменистыми зазорами, на земле рядом с моховыми растениями, ветками. Земляные пчелы могут занять птичьи гнезда, норы кротов или мышей.

Они не следят за состоянием гнездовья и не пользуются одной сотой дважды для выведения потомства. Новые соты строятся на старых, полуразрушенных, поэтому шмелиные гнезда выглядят неряшливо.

Шмели умеют вентилировать жилище. Они зависают у входа в гнездо и активно трепещут крылышками, прогоняя в жилье потоки свежего воздуха.

А в холода насекомые превращаются в обогреватели. Они дружно сокращают мышцы, находясь на одном месте, издавая знакомый гудящий звук. Совместное гудение обогревает воздух в гнезде и поднимает его до комфортного для насекомых режима в +30-35⁰ С.

Чем питаются.

Любимая пища земляных пчел – нектар. Они собирают его с распустившихся бутонов. У мохнатых насекомых есть одна удивительная способность – при интенсивной работе грудных мышц, насекомые поднимает у себя температуру тела до +40 ⁰ С.

Благодаря такой возможности, шмели принимаются за работу над цветами ранним утром, когда воздух еще не прогрелся. Из-за этого мохнатых насекомых называют «теплокровными». Такая способность разрешает бомбусам обитать в северных районах. В отличие от обычных, земляные пчелы не создают запасов меда – он им нужен лишь для спасения от голода при ненастной погоде.

Когда появились шмели.

Когда бомбус впервые увидел мир – неизвестно, хотя найденные окаменелые остатки насекомых датируются в 25-40 млн. лет. Окаменелый шмель – редчайшая находка, попасть в смолу крупному насекомому и утонуть в ней сложно. Такие находки обнаруживали в Азии.

Польза шмеля.

Земляная пчела – ценнейший опылитель. Благодаря длинному хоботку, это насекомое опыляет такие растения, с которыми не справляются обычные пчелы. Человечеством создана отрасль, посвященная выведению шмелей – шмелеводство. Мохнатых насекомых искусственно разводят для опыления растительных культур с целью увеличения урожайности.

Это любопытно

Шмели-паразиты.

В природе проживают дальние родственники земляных пчел: шмели-кукушки. Это паразитические насекомые, социальные клептопаразиты, разучившиеся собирать и хранить пыльцу. Они ее воруют у своих собратьев, не забывая подкинуть в шмелиные гнезда своих личинок.

Как летает шмель.

Крупные создания летают со скоростью в 18-20 км/час. В полете 90% энергии насекомого преобразуется в тепло. Летая, мохнатое существо имеет температуру тельца на 20-30⁰ выше окружающего пространства. У насекомых природа предусмотрела механизм охлаждения. Когда земляные пчелы в полете перегреваются, из специальных желез они выпускают на себя каплю прохладной жидкости.

Бомбусы, как и остальные насекомые, не могут летать спиной вперед. Это умеет делать лишь колибри. Из-за маленького размера птичку часто принимают за толстенького шмелика, поэтому существовало мнение, что шмель умеет летать таким неординарным способом.

Рекордсмены.

Самый крупный бомбус обитает в центральных районах Америки. Длина его тела достигает 5 сантиметров. А самое маленькое шмелиное создание облюбовало ареал проживания в Центральной Европе, длина насекомого всего полтора сантиметра.

Загадочный миф

. У людей существует распространенное мнение, что земляная пчела летает вопреки признанным законам аэродинамики. Это миф или летающее насекомое действительно «рушит» основы физики и обладает уникальной способностью? Или это представитель иной, развитой цивилизации, живущей по другим понятиям?

[править] В миру

Шмель не должен, а пчёлы не знают, ога.
В те времена и правда едва ли представлялось возможным достойно изучить полет насекомых уже просто потому, что уровень возможностей фотоаппаратуры долгое время не позволял фиксировать точную траекторию движения их крыльев. С достижением оного, а также развитием этой самой аэродинамики с открытием новых законов и принципов, сабж постепенно стал утрачивать ореол таинственности и не так давно лишился его вовсе. Ныне интернеты полнятся ликованием относительно того, что очередные британские ученые в очередной раз «опровергли распространённое заблуждение о невозможности полёта шмеля».

Тем не менее, сабж в изначальном виде всё ещё предсказуемо популярен в социальных сетях[1], как известно, чуть менее, чем полностью заполненных любителями «эффектных» цитат и демотиваторов различной степени безграмотности, не привыкшими проверять ту поебень, под которой подписываются. Также эта мудрая мысль слегка обстёбывается в мультике «Би Муви. Медовый заговор», только там не должна летать уже пчела.

Ошибочная гипотеза

Математическими формулами и законами аэродинамики объясняли полеты многих насекомых:

• бабочек;
• пчел;
• мух;
• комаров;
• жуков и многих других.

Аэроанализу подвергали любое летающее живое существо и после некоторых вычислений становилось ясно, как оно летает. Когда очередь дошла до шмеля, который является ближайшим родственником пчелы, ученые зашли в тупик. Они пытались применить формулы, по которым рассчитывается подъемная сила, действующая на самолет.

На заметку!

Нет ничего удивительного в том, что эти формулы никак не подходили к полету насекомого. Площадь поверхности его крыльев была слишком мала, чтобы создать силу, способную поднять грузное тело. Никакой речи о планировании в потоке воздуха здесь не было. Вывод был однозначный и курьезный: шмель не может летать.

[править] Разбор полётов

Slo-mo
Механика машущего полёта насекомых — реально сложный матан, и далёкий от физики человек едва ли сможет его полностью понять и уж тем более объяснить другому, просто прочитав его описание. Что касается конкретно шмеля, то очень упрощённо суть можно пояснить так: при быстрых-быстрых взмахах крыльев, имеющих определённую гибкость и траекторию движения, у их краёв образуются кольцевые завихрения воздуха, которые «сбрасываются» при завершении взмаха и создают насекомому необходимую подъёмную силу и определяют направление движения.

Следует, всё же, заметить, что шмель, несмотря на применение передовых достижений в биомеханике, далеко не самый искушенный летун среди своих членистоногих собратьев. Миллионы мух летают аналогичным шмелю образом, однако при этом, в силу ряда причин, они более приспособлены к тому самому высшему пилотажу, который вызывает у анонимуса тонны ненависти и сильно затрудняет их последующее истребление. А вот более подкованные в физике бабочки умеют использовать в процессе перемещения различные принципы, не ограничиваясь сбросом воздушного потока. Они тоже упорно не вписывались ни в какие теории до того, как скоростная киносъёмка дефлорировала их тайну. Крейсерский полёт у бабочек не менее хитрожопый, чем у шмеля: бабочки «аплодируют» крыльями, смыкая их сначала концами, а потом уже по всей площади. Воздух из этой трубки по мере её схлопывания выталкивается назад, бодро подталкивая расписную тварь вперёд и вверх. Кроме того, бабочки умеют планировать, расправив крылья, там, где шмель, сделав то же самое, просто ёбнется жопой о землю.

• Муха, оседлавшая вихрь.
• Бабочка вертикального взлёта.

В итоге остаётся только в очередной раз преклонить колени перед матерью-природой, создавшей такие сложные и совершенные лётные механизмы для своих насекомых отпрысков, несмотря на то, что особого профита от их исследований всё равно нет — бытует мнение, что в человеческих масштабах полёт насекомого не воспроизвести — не позволит всё та же физика, но это уже совсем другая история.

Все дело в крыльях

Полет шмеля
Наука и техника не стояли на месте и вскоре к вопросу о полете шмеля вернулись. Теперь к решению этой задачи подошли более тщательно, записав на видеокамеру, как летает шмель. С помощью современной аппаратуры удалось рассмотреть все движения крыльев насекомого в замедленном действии и начать строить новую гипотезу.

На видеозаписи специалисты разглядели принцип движения крыльев. Маленькие и невзрачные, они совершали очень необычные взмахи. Помимо возвратно-поступательных движений они одновременно совершали еле заметные колебательные вибрации, похожие больше на мелкую дрожь. Именно эти высокочастотные колебания стали причиной полета насекомого.

Интересно!

Во время наблюдений за движением крыльев мохнатого родственника пчелы было подсчитано, что он совершает ими 300-400 взмахов в секунду.

Благодаря этим микровибрациям крылышек вокруг их концов создаются завихрения воздуха с переменным значением плотности. Разница в плотности потоков воздуха и создает подъемную силу, действующую на насекомое. Такими завихрениями не обладают взмахи крыльев бабочки или пчелы, поэтому изначально к данному выводу не смогли прийти.

С какой скоростью может летать шмель?

Полет разных насекомых сильно отличается по скоростям. Шмель считается относительно медлительным насекомым. Питаясь нектаром, перелетая при этом с цветка на цветок, земляная пчела не спешит. Скорость полета шмеля составляет около 1 метра в секунду. Обычно насекомое не улетает далеко от излюбленного места кормления или сбора нектара. Возвращается на приглянувшиеся цветы. Может снова и снова проверять одно и то же растение.

Максимальная скорость полета шмеля точно не известна. Зафиксировано число 5 метров в секунду. Однако пишут и о 15 м/с.

Мир насекомых не перестает удивлять и любителей природы, и профессиональных биологов, и специалистов других наук. Окраска крыльев бабочек, скорость комаров, фасеточное зрение насекомых изучаются учеными с целью воплотить новые передовые аппараты в жизнь человека. Полет шмеля также изучается уже около века. В настоящее время интерес только возрос. Аэродинамические характеристики этого насекомого удивляют и восхищают знатоков физики. Настолько гениально создала его природа.

Аппарат будущего

Жесткая передняя часть крыльев сочетается с гибкой задней. Это тоже необходимо для отличного полета. В XXI веке полет насекомых продолжают изучать специалисты разных областей. Люди стремятся спроектировать летательный аппарат с качествами полета шмеля. Это был бы новый прорыв в авиастроении. Новому аппарату не мешала бы турбулентность воздуха.

Скорости полета шмеля препятствуют лишь встречные потоки воздуха. Насекомое летает и в ненастную погоду. Это радует садоводов. Шмели опыляют растения при плохих погодных условиях.

Доказательная база от ученого-физика

Шмель
Впервые научно-обоснованное заключение по полету шмеля было представлено всеобщему обозрению в середине прошлого столетия. Женщина-физик Чжэн Джейн Ван, работающая в известном Корнеллском университете США, привела доказательную базу по образованию подъемной силы за счет завихрений.

Физик потратила немало времени на тщательные исследования по этому вопросу, и к ее гипотезе не было возражений. Еще она отметила, что основной ошибкой ученых, уверяющих, что по законам физики шмель не может летать, было отсутствие достаточных знаний в определенных разделах аэродинамики.

Применение формул, по которым рассчитывается полет авиалайнера со статичным состоянием крыльев, невозможно к расчету полета насекомого, которое активно машет крылышками в нескольких плоскостях. Такое движение в воздухе является ярким примером раздела нестационарной газово-вязкой динамики.

Итогом всех этих исследований стало окончательное заключение, что мохнатый родственник пчелы летать может. Интересней тот факт, что насекомое и без этих сложных и долгих умозаключений великих умов как летало, так и продолжает летать. Даже если впоследствии появится новая гипотеза аэродинамики шмеля, он все равно будет совершать свои ежедневные полеты, несмотря ни на что.