Изучение полета комара сквозь дождь поможет улучшить летающих роботов

Комар барражирует к открытому окну, его ничего не подозревающая жертва мирно спит в постели. Вдруг капли дождя весом в 50 раз больше веса комара лупят прямо в насекомое. Казалось бы, эффект должен быть аналогичен столкновению человека с летящим на скорости автобусом.

Но к огорчению очередной жертвы комара вредитель выживет после этого столкновения.

Это заключение команды инженеров и биологов Georgia Institute of Technology in Atlanta. С помощью видеосъемок в реальном времени и математики ученые доказали, что надежная конструкция насекомого позволяет комарам выдерживать натиск самых крупных капель. Полученные данные мало помогут в борьбе с вредителями, но подскажут инженерам, как улучшить дизайн крошечных летающих роботов.

Авиационные инженеры много знают о том, как дождь мешает полету самолетов. Сильный дождь увеличивает сопротивление, снижает подъемную силу и увеличивает риск срыва в штопор. Но исследования того, как вода влияет на летающих существ, — редкость. Разве что недавнее исследование немецких биологов показало, что летучим мышам нужно вдвое больше энергии для полета под дождем, чем в условиях безоблачной погоды.

Чтобы восполнить пробел в научных знаниях об аэродинамике насекомых, инженер-механик Дэвид Ху и его коллеги из Технологического института Джорджии решили прогнать малярийных комаров сквозь дождь в искусственных условиях.

Команда Ху уже прославилась исследованиями в области физики мокрых собак: они пытались понять, как мокрая собака высушивает себя, отряхиваясь.

На этот раз команда построила «полетный полигон»: 20-сантиметровой высоты акриловую клетку, покрытую сверху сеткой, что пропускает воду, но препятствует бегству комаров. На начальном этапе эксперимента исследователи стреляли в клетку струей воды, имитируя падение капель с высоты 10 метров (этой высоты достаточно, чтобы дождевые капли набрали свою максимальную скорость). Шесть комаров были помещены в клетки и затем сняты видеокамерой со скоростью 4000 кадров в секунду.

Это было похоже на комариный пинбол. Всем шести комарам удалось прийти в себя от ударов капель и не рухнуть на дно клетки. В среднем капля отбрасывала комара на 13 длин его тела, пока он не справлялся с управлением, чтобы приземлиться на дно полигона. Чтобы лучше разобрать, что происходит, команда подвергала 20 комаров обстрелу более медленными каплями. Видео показали, что большинство ударов проходили вскользь по крыльям и ногам и не достигали тела насекомого.

Но даже при прямом попадании комар выходит из пике не более чем через 20 длин его тела. Ху и его коллеги предположили, что из-за малой массы насекомого — около 2 мг, в то время как масса капли может достигать 100 миллиграмм — скорость и импульс капли при столкновении с комаром уменьшается на очень маленькую величину и поэтому фактически капля воздействует на комара с очень небольшой силой. Чтобы проверить эту гипотезу, команда создала муляж насекомого из шариков пенопласта — того же веса и размер, что и комар. Когда исследователи запустили шарики в свою испытательную клетку, те на мгновение повисли в воздухе, пока капли воды не долбанули по ним сверху.

Эксперименты показали, что капли воды массой в 1–300 масс муляжа замедлялись на 2–17% при ударе. Группа пришла к выводу, что капли дождя деформироваться и в значительной степени обойти гораздо меньше, тел комаров. Ху и его соавторы в докладе, опубликованном на этой неделе в Трудах Национальной академии наук, предполагают, что этот удивительный эффект объясняется не только легкостью комара, но и твердостью и гибкостью его экзоскелета, внешней оболочки, которая защищает внутренние органы.

Чтобы подтвердить свои выводы, команда организовала для комаров стресс-тест, сжимая тела насекомых, чтобы выявить, какую силу они способны выдержать. Команда посчитала, что давление капли составляло от 200 до 600 дин. А комары смогли летать и после сжатия силою в 3000–4000 дин, что эквивалентно перегрузке в 300g. Это рекорд стойкости для живых существ (человек может выдержать всего лишь около 25g.)

Ху говорит, что исследование его команды может помочь в разработке так называемых микро-летательных аппаратов (MAVs), отдельные модели которых как малы, как стрекозы, и все чаще используются военными для наблюдения в зонах военных действий и для поисково-спасательных операций.

sciencemag