В Технологическом институте Джорджии узнали, как комарам удается летать во время дождя. Съёмка показала, что даже столкновение с дождевой каплей не наносит кровососам никакого вреда, а дальнейшие расчеты показали, почему так происходит.
Первой версией ученых было, что комары просто уклоняются от падающих капель. Чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию группа исследователей под руководством математика Дэвида Ху поставила следующий эксперимент: комаров запустили в контейнер с решетчатой крышкой и сверху распылили искусственный дождь. Полёт насекомых снимали специальной камерой.
Таким образом, во-первых, удалось выяснить, что комары вовсе не облетают капли, подставляясь даже под прямые удары. При этом насекомые лишь слегка сбиваются с курса, но потом выравниваются и продолжают лететь дальше по своему маршруту. Ученые даже подсчитали, что во время столкновения с каплей жидкости на комара в течение одной миллисекунды действует перегрузка от 30 до 300g. Для сравнения, у человека этот предел составляет 25g.
Дальнейшие опыты показали, что всё дело в том, что при столкновении с малоинерционными объектами жидкость деформируется, но не дробится. А это значит, что импульс, который насекомое получает от капли, сравнительно невелик.
Американские биологи объяснили полеты комаров в дождь. Дождевая капля размером с комара весит примерно в 50 раз больше насекомого, и столкновения с такими объектами, казалось бы, должны были изничтожить кровососов. Тем не менее они процветают в тех регионах мира, где ливни - обычное дело.
Дэвид Ху (David Hu), математик по образованию, большую часть времени посвящающий изучению способов передвижения животных и насекомых, и его коллеги из технологического института Джорджии решили выяснить, что же происходит с комарами во время дождя.
Учёные сделали небольшой контейнер с решётчатой крышкой, внутри которого при поливе сверху шёл искусственный дождь. От настоящего он почти не отличался, разве что скорость капель была ниже.
Насекомых поместили в резервуар и записали их полёты на видео. Съёмка высокоскоростной видеокамерой показала, что хотя комары и не уворачиваются от капель воды, они при этом умудряются не пострадать от ударов.
Комары постоянно получали скользящие и прямые удары от гигантских, по меркам мира насекомых, капель. Однако это не останавливало кровопийц, они лишь чуть сбивались с курса, а затем быстро приходили в себя и стабилизировали полёт.
Ученые даже провели эксперимент с шариками из пенопласта. Их наполняли различными жидкостями, стремясь получить наиболее реалистичную модель столкновения комара и капли воды.
Размер комара и дождевой капли примерно одинаков - около 3 мм, однако массы очень отличаются. У капли она составляет около 100 мг, в то время как комар весит всего 2 мг. Вследствие этого капля падает со скоростью порядка 9 м/с. и комар сталкивается с ней через каждые двадцать секунд.
Капля, соударяясь с малоинерционным объектом, деформируется, но не разлетается на брызги, как при столкновении с плоскостью. Из-за этого импульс, передающийся от водной капли насекомому, не велик. Шарик воды из-за удара теряет лишь 2% своей скорости, а комар продолжает лететь, как ни в чём не бывало.
Комар в ходе столкновения с каплей может испытывать перегрузку от 30 до 300 g в течение одной миллисекунды. Для сравнения: предел человеческих возможностей – 25 g на протяжении 1,2 сек.
Комары могут летать во время дождя! И инженеры уже грезят о том, что рано или поздно будут созданы миниатюрные беспилотные летательные аппараты, которые тоже смогут работать и в солнечную, и в дождливую погоду.
Комар при попадании на него капли ведет себя по-разному
Если бы комар не летел, а сидел на твердой поверхности, то несущаяся с бешеной скоростью водяная капля могла бы с легкостью уничтожить его.
В воздухе же ситуация складывается немного по другому.
Если капля задевает насекомое как бы вскользь, например, по лапкам или по боку, то он просто кувыркается немного, но траектория движения его остается прежней.
Прямое же попадание на само тельце, надолго выводит комара из строя, пока он не освободится от воды. При этом высота его полета уменьшается примерно на 6 см.
Физики объясняют это тем, что при попадании капли на тело комара, тот как бы амортизирует, и создается эффект гашения передаваемой энергии. В то же время скорость полета водяной капли не снижается.
Один из выводов проделанной исследовательской работы: комары летают во время дождя, потому что слишком мало весят. Результат этого исследования был опубликован в научном издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученые надеются, что проведенные опыты могут внести огромный вклад в авиационную промышленность, так как это поможет в дальнейшем изобрести летательный аппарат очень маленького размера.
Знаете ли вы?
Почему не падают пагоды?
В странах Востока, например в Японии, землетрясения разрушают железобетонные здания, стальные мосты, а деревянные пагоды стоят и стоят! Может быть, в их конструкции есть секрет?
Есть, и даже не один.
Прежде всего пагоды строили на прочных фундаментах, не разрушающихся даже при сильных толчках. Но, кроме того, внутри каждой пагоды древние строители подвешивали сверху вниз длинную деревянную балку с грузом на конце.
Частоту колебаний этого своеобразного маятника подбирали такой, чтобы во время землетрясения он раскачивался в противофазе с самой постройкой, помогая гасить колебания.
Точно так работают сегодня динамические гасители колебаний на высоких заводских трубах и телебашнях.
Экология
Крошечное, очень легкое тело комара является ключом к его способности выживать, летая под дождем, согласно новым исследованиям.
Команда ученых их Технологического Института Джорджии сняли на видео комара, летящего во время дождя, который сталкивался с каплями. Записи показали, что тело комара оказывает такое маленькое сопротивление, что он как бы сливается с каплей, и они начинают движение вместе.
Недавние исследования помогли объяснить, как мелким насекомым удается жить во влажной и сырой среде, более того, они также помогли ученым разработать крошечных летающих роботов, которые не восприимчивы к природным стихиям.
"Я надеюсь, люди станут немного иначе относиться к дождю , - говорит руководитель исследований Дэвид Ху (David Hu). – Если вы имеете очень маленькие размеры, дождь для вас представляет угрозу. Однако кажется, что комары настолько малы, что их размеры позволяют оставаться целыми и невредимыми".
Доктор Ху и его коллеги заинтересовать вопросом о том, какие хитрости используют мелкие насекомые, чтобы выжить. После многочисленных попыток поиграть в "самую сложную игру в дротики", по словам ученых, Ху сумел попасть в летящих комаров каплями воды, а результаты записать на видео.
Каждая капля воды была по весу тяжелее самого комара в 2-50 раз, но то, что увидели ученые, очень их удивило. Описывая результаты, доктор Ху приводит параллели с китайским боевым искусством Тай-ци.
"Тут есть своя философия: если вы не можете противостоять силе противника, вы не почувствуете ее , - объясняет он. – Именно поэтому они не чувствуют силу, они просто соединяются с каплей и путешествуют вместе с ней".
Когда двигающийся объект сталкивается с другим, происходит внезапная остановка, в результате чего образуется сила, способная вызвать повреждения. Например, если машина врезается в стену на скорости 50 километров в час, неподвижная стена и машина должны поглотить всю энергию, которая получается при движении, что приводит к серьезным разрушениям.
Что касается комаров, они не могут замедлить движение капли, однако при столкновении берут на себя минимум энергии.
Выжить во время столкновения - не единственная проблема крошечных насекомых. Они должны как-то выбраться из водяного кокона еще до того, как капля придавит насекомое к земле, двигаясь со скоростью 30 километров в час.
Тело комара покрыто мелкими водоотталкивающими волосками, что также помогает насекомому "выйти сухим из воды" . Всем комарам, которые участвовали в исследованиях, удалось выбраться из капель воды еще до того, как они упали на землю.
Сегодня известны около 3500 разных видов семейства комаров.
Минимальный вес и маленькие размеры тела помогают комарам кусать животных и человека, будучи незамеченными.
Насекомые впрыскивают слюну, которая содержит антикоагулянт, который не позволяет их хоботкам забиваться.
Почему перед дождем ласточки летают низко?
Ласточка - это одна из самых красивейших птиц, которая вызывает у человека добрые ощущения. Человек с давних времен наблюдает за её поведением. По народной примете – если ласточки летают низко, то скоро будет дождь. А самое удивительное, что это верное наблюдение. Но почему так происходит?
По своей природе ласточки предпочитают обитать в воздухе и садятся на землю крайне редко. Они могут окунуться и напиться, пролетая над водоемом, но потом снова возвращаются в воздух! Эти удивительные птицы питаются летающими насекомыми, а поэтому полностью зависят от них. В ясную погоду ласточки парят достаточно высоко в небе и ловят там мошек и жуков, которых потоки теплого ветра и воздуха поднимают высоко от земли. Своих птенцов птицы также выкармливают насекомыми. А гнезда строят так, чтобы можно было быстро подняться высоко в небо. Обычно это стены под крышами зданий, склоны и обрывы.
Перед дождем увеличивается влажность воздуха, вследствие чего при полете тонкие крылышки жуков покрываются мелкими каплями воды, намокают и становятся тяжелыми. Мошки не могут активно размахивать крыльями и опускаются всё ниже, где воздух не такой влажный. Ласточки следуют за насекомыми и спускаются к земле. Конечно, маленьких насекомых невидно, а вот парящих ласточек - очень даже хорошо. Вот почему ласточки низко летают перед дождём!
Но не только приближающийся дождь является предвестником низкого полета ласточек. Резкие перепады температурного режима, а также похолодание в сумеречные часы провоцируют опускание насекомых ближе к земле. И ласточки снова виртуозно парят буквально в 20-ти сантиметрах от земли.
Ласточки летают низко к дождю – миф...
Если ласточки низко летают, значит, дело к дождю идет. Однако это совсем не так. На самом деле метеорологи из ласточек совсем никудышные.
Почему же, несмотря на явное несоответствие реальных наблюдений теоретическим выкладкам, в эту примету до сих пор верят? Наверное, потому, что данный миф, как это ни странно, имеет некое «научное» объяснение.
Все представители ласточек и стрижей питаются насекомыми, которых ловят прямо на лету. Само собой, эти птицы летают в основном там, где имеется добыча, то есть высота их полета зависит от того, в каком именно месте в воздухе в данный момент имеется наибольшее количество насекомых. Исходя из этого, некоторыми учеными было высказано предположение, что перед дождем из-за повышения влажности воздуха насекомые в массе своей опускаются поближе к земле – из-за того что влага конденсируется на их крыльях и образуются капельки, которые утяжеляют шестиногого летуна. Ну а вслед за едой опускаются к земле и добытчики, то есть ласточки и стрижи.
Что и говорить, картинка совершенно правдоподобная. Однако факты, полученные при наблюдении за насекомыми, говорят совсем о другом. Начнем с того, что ласточки и стрижи в основном охотятся за представителями отряда двукрылых, то есть за комарами и мухами.
Недавние наблюдения за тем, как летают эти насекомые, показали, что высота их полета совершенно не зависит от влажности воздуха. Во-первых, движения крыльев комаров и мух таковы, что на их концах постоянно образуются микровихри, которые стряхивают капли конденсата. Во-вторых, часто эти насекомые перемещаются, используя потоки восходящего и нисходящего воздуха. А комары так вообще умеют проходить сквозь дождевые капли, совершенно при этом не намокая. Так что перед дождем или даже во время него роящихся двукрылых можно встретить на достаточно большой высоте.
Следует признать, что высота полета стрижей и ласточек зависит не от того, будет ли дождь или нет, а от перемещения в воздухе роящихся насекомых. Ну а если представить себе стандартный жаркий летний день, то в основном рои двукрылых поднимаются ввысь по утрам и ближе к вечеру. В середине дня, когда жара максимальна, эти насекомые предпочитают прятаться в траве. Соответственно, чаще всего и ласточки со стрижами утром и вечером летают высоко, а в середине дня – низко. Что касается пасмурного дня, то тут все может быть и по-другому – например, днем рои могут подниматься высоко (и птицы, соответственно, тоже), а утром и вечером, когда холоднее, они «толпятся» на малой высоте.
Недавно американские биологи выяснили, что комары весьма интересно взаимодействуют с каплями воды, когда летают в дождь. Они просто умеют проходить сквозь капли без ущерба для собственного здоровья. Именно поэтому массивная капля, которая может расплющить комара, не в состоянии причинить ему вред. Этому навыку позавидовали бы все мастера айкидо!
Интересно, что часто ученый может весьма обстоятельно ответить на какой-нибудь фундаментальный вопрос (например, рассказать о том, как устроена Вселенная) и виновато развести руками тогда, когда его спросят о какой-нибудь ерунде. И хотя, конечно же, для науки не существует важных и неважных задач (есть просто хорошо и не очень хорошо оплачиваемые проекты), тем не менее многие исследователи, изучая большое, пренебрегают малым. Так, например, до последнего времени мало кто из биологов мог ответить что-то вразумительное на простой вопрос: "Как комару удается выжить в дождь?".
О том, что эти маленькие кровососы спокойно летают при дождливой погоде, знает любой, кто в эту самую погоду путешествовал по лесу. Более крупные докучливые насекомые вроде слепней обычно пережидают дождь в надежных убежищах, а вот комарам он совсем не страшен — как жужжали над ухом при солнышке, так и продолжают жужжать. Хотя, если подумать, поступая таким образом, они подвергают себя смертельной опасности.
Судите сами — средний размер представителя рода Culex колеблется от четырех до 14 миллиметров, а их масса составляет всего два-три миллиграмма. Масса же падающих капель в среднем равна 100 миллиграммам, при этом летят они к земной поверхности со скоростью девять метров в секунду. Получается, что столкновение комара с такой каплей равносильно ситуации, в которой на человека наедет КамАЗ, несущийся со скоростью 80 километров в час! Сами понимаете, шансы уцелеть при этом ДТП у пешехода ничтожно малы.
Однако, как мы с вами знаем, комары вполне нормально переносят ливни — более того, они активны во время дождя. И при этом массовой гибели от капель среди них не наблюдается. Это достаточно странно — согласно расчетам, каждый комар должен сталкиваться со смертоносной каплей примерно один раз в двадцать секунд.
Некоторые ученые (в том числе и знаменитый Фабр, автор первой научно-популярной книги по энтомологии) считали, что, возможно, комары постоянно маневрируют, уворачиваясь от капель. Однако расчеты биофизиков позже не подтвердили эту версию. Если бы комар действительно вел себя подобно советскому партийному деятелю товарищу А. Микояну (который, как мы помним, умел при дожде ходить между струями), то всей энергии их организма хватило бы лишь на десять секунд полета. Дело в том, что повороты и уклонения — наиболее энергозатратные фигуры высшего пилотажа для насекомых. Тем не менее, каждый может убедиться в том, что полет комара даже во время дождя куда более продолжителен.
Ответить на этот вопрос удалось лишь недавно. Группа американских исследователей из Технологического института Джорджии (США) смогла выяснить, каким образом комар умудряется выжить при дожде, в ходе любопытного эксперимента. Ученые поиздевались над насекомыми всласть — на представителей вида Culex pipiens обрушивали искусственный дождь с каплями размером три-пять миллиметров, которые летели со скоростью от двух до девяти метров в секунду. И только тогда при помощи высокоскоростной съемки им удалось вычислить силу и ускорение, которые действуют на комара при его столкновении с дождевой каплей.
Интересно, что согласно "показаниям" видеокамеры, капли дождя в эксперименте чаще попадали по ногам комара. Это его совершенно не смущало — после удара насекомое просто переворачивалось в воздухе и продолжало летать, действуя на нервы экспериментаторам. А вот когда попадание было прямым, насекомое применяло интересную технику, сравнимую с той, которую используют мастера айкидо и других восточных единоборств.
Выяснилось, что вместо того чтобы сопротивляться "противнику", то есть капле, комар просто прилипал к ее поверхности и некоторое время как бы летел на этом водяном "шарике". Интересно, что в таком свободном падении он мог преодолеть расстояние, в двадцать раз превышающее длину тела комара. После же хитрое насекомое просто проходило сквозь каплю (комар легко может сделать это, поскольку его покровы достаточно слабо смачиваются водой, и он не рискует увязнуть) и отрывалось от нее.
Как видите, все оказалось достаточно просто. Правда, исследователи пока не могут понять, почему комар, выходя из капли, не прилипает к ней вновь. Ученые предполагают, что, видимо, здесь играет свою роль маленькая масса насекомого и обтекаемая форма тела. Хотя, возможно, комар выделяет на поверхность своего тела какое-то вещество, которое работает как смазка и препятствует прилипанию. Этот вопрос, по мнению авторов работы, еще предстоит выяснить.
Любопытно также еще и то, что, по мнению авторов работы, комары просто вынуждены летать во время дождя, чтобы капли их не зашибли насмерть. Дело в том, что вышеописанное "комариное айкидо" работает только в воздухе. Если же капля попадет в комара, сидящего на поверхности, то он не сможет пройти сквозь каплю и будет просто расплющен. Так что, как видите, у комаров просто нет другого выбора — и рады бы дождик на земле переждать, да нельзя.
Исследователи подчеркивают, что подобный способ "борьбы" с дождевыми каплями возможен лишь потому, что у комаров очень маленькая масса тела. Именно она и помогает этим насекомым проходить сквозь капли без ущерба для собственного здоровья. Однако она же мешает им быть активными при ветреной погоде — сильному ветру комары противостоять не в состоянии. Поэтому они вынуждены прятаться в надежном убежище.
