Электродинамический полёт бабочки
Бабочки изумляют нас не только великолепием раскраски крыльев, но и своим полётом, который выглядит непостижимым чудом с точки зрения аэродинамики. В самом деле, дневные бабочки средней полосы России машут крыльями с рекордно низкой для насекомых частотой — всего в единицы герц — а, значит, их не может удерживать в воздухе вибрационная тяга [1]. Кроме того, при махах своими двумя парами крыльев, бабочки не изменяют их “угол атаки”. И тогда совершенно непонятно, какие же аэродинамические силы могут удерживать бабочек в воздухе.
Более того, имеются свидетельства о том, что при полёте бабочки аэродинамические силы играют далеко не главную роль. Так, при замедленном воспроизведении порхающего полёта бабочки, бросается в глаза несоответствие между её порханиями и теми аэродинамическими импульсами, которые должны сообщать ей машущие движения крыльев. Глядя на эти странные “ужимки и прыжки”, трудно отделаться от впечатления, что кто-то дёргает бабочку за невидимые ниточки.
Какие же таинственные силы проявляются таким образом? Подозрение, прежде всего, падает на силы электродинамические. Кстати, имеются косвенные, но вполне убедительные указания на то, что при полёте бабочек электрические явления имеют место.
Так, в ходе некоторых экспериментов Николы Теслы по беспроволочной передаче электрической энергии на частотах в несколько десятков килогерц, в прилегающей к передающей башне местности наблюдались феерические световые эффекты: коронировали верхушки деревьев и шпилей, выступающие части строений, головы и поднятые руки людей на улицах… И — по многочисленным свидетельствам — нормальный полёт бабочек был нарушен, причём они прямо-таки “полыхали” в воздухе. Спрашивается: каким же образом могли “полыхать” бабочки, не имевшие контакта с землёй? Ведь ясно, что, для поддержания свечения при электрическом разряде, требуется приток всё новых и новых порций электричества. Неудивительно, что у летящих птиц “полыхания” никто не заметил. В случае же с бабочками нам следует допустить, что они в полёте периодически производят достаточно сильную само-электризацию — и в условиях, когда облегчается разряд, периодические разряды с бабочки могут порождать то самое “полыхание”.
К счастью, за разгадкой механизма электризации у бабочек не нужно далеко ходить. Этих насекомых не зря называют чешуекрылыми: верхние поверхности их крыльев не гладкие, а “мохнатые” — покрытые волосками и чешуйками, которые образованы, практически, такими же волосками, только сросшимися и имеющими общую утолщённую ножку, которая крепится к крылу. При достаточно сильном увеличении заметно, что каждый волосок — как отдельный, так и входящий в состав чешуйки — представляет собой своеобразную “свирель”, а именно, микротрубочку с рядом боковых отверстий. Напрашивается вывод о том, что эти невероятные ухищрения в конструкции, обеспечивающие необычайно развитую диэлектрическую поверхность крыльев, предназначены для эффективной электризации крыльев при их трении о воздух в процессе выполнения взмахов.
Эту электризацию бабочка использует, в общих чертах, следующим образом. Движения её крыльев в полёте представляют собой последовательность более или менее разделённых во времени рабочих циклов. Один такой цикл — это мах крыльями, находившимися в верхних положениях, вниз (но обычно не ниже корпуса: работа крыльями идёт в верхних квадрантах), и немедленный возвратный мах вверх. При махе крыльями вниз бабочка, отталкиваясь от воздуха, приобретает некоторый импульс вверх. Кроме того, происходит электризация трением крыльев о воздух: бабочка накапливает статический отрицательный заряд, а в воздухе, обдувающем верхнюю поверхность крыльев, создаются положительные ионы. Значит, возникает электрическое притяжение бабочки к облачку этих ионов, т.е. возникает дополнительная подъёмная сила. Возможен вопрос: каким образом ионы, созданные бабочкой, могут подтягивать её вверх? Почему бы этим ионам самим не притянуться к бабочке и не осесть на неё, нейтрализуя созданное разделение зарядов? Дело в том, что эти ионы находятся не в вакууме, а в воздухе, и их подвижность ограничена: в течение некоторого характерного времени ионы оказываются как бы “вмороженными” в воздух. Более того, при возвратном махе крыльями вверх бабочка, продолжая создавать ионы, ещё и выдавливает наэлектризованный воздух из области между крыльями — в основном, наверх. Это действие имеет большой смысл. Дело в том, что сила притяжения бабочки к облачку ионов зависит от электрической ёмкости системы “бабочка-облачко”. В общем случае, эта сила равна энергии электрического взаимодействия в этой системе, делённой на характерный пространственный размер. Когда облачко ионов находится над крыльями, расположенными горизонтально, и систему “бабочка-облачко” можно весьма условно рассматривать как плоский конденсатор, для силы электрического притяжения бабочки к облачку можно записать F=CU2/2d, где C — ёмкость системы, U — разность потенциалов между крыльями и облачком, d — характерный промежуток между крыльями и облачком. Подставляя в эту формулу универсальную связь между разностью потенциалов, ёмкостью и величиной Q разделённых зарядов (U=Q/C), для силы притяжения получаем: F=Q2/2Cd. Отсюда видно, что чем меньше ёмкость системы, тем, при прочих равных условиях, требуется меньшее количество разделённых зарядов для создания той же самой электрической силы. Теперь заметим, что ёмкость системы в случае, когда облачко ионов находится над крыльями, поднятыми вверх, значительно меньше, чем в случае, когда облачко ионов находится над крыльями, расположенными горизонтально. Точный расчёт этого различия ёмкостей весьма сложен. Но если допустить, что оно составляет хотя бы два порядка, то, для “подвешивания” себя в воздухе при поднятых крыльях, бабочке требовалось бы создать на порядок меньшее число ионов по сравнению со случаем, когда крылья расположены горизонтально.