Когда время замедляется: высокоскоростная съёмка полёта шмеля

Обычный взлёт шмеля с цветка розы на высокой скорости оказывается похож на миниатюрный балет. Высокоскоростная камера Phantom Miro M320S позволяет снять этот «танец» с частотой 1200 кадров в секунду – каждый кадр фиксирует микроскопическую фазу полёта. Как отмечают исследователи, такие камеры – своего рода «микроскопы времени»: они раскрывают движения, скрытые от человеческого глаз. С помощью этого приёма взлёт с розы превращается в наглядную хронику: мы можем увидеть, как шмель отталкивается ногами, начинает машинально вибрировать грудными мышцами и постепенно набирает мощный размах крыла. Поведение шмеля при взлёте На медленном видео хорошо заметно, что шмель сначала энергично жужжит на месте, накапливая энергию мышц. Приготовившись к отрыву, он отталкивается ногами от лепестков цветка и мгновенно начинается серия мощных взмахов крыльев. Взмахивание в момент старта может идти в несколько раз быстрее, чем при ровном полёте, – это нужно, чтобы преодолеть начальную инерцию. В первый миг после отрыва шмель расправляет крылья и резко меняет угол их атаки. Его тело выпрямляется относительно земли, а размах крыльев постепенно увеличивается. По мере набора скорости шмель переходит к устойчивому ритму: обычно его крылья совершают порядка сотен взмахов в секунду (у разных видов частота может составлять от ~130 до 200 Гц и более). На замедленном видео мы видим, как передние и задние лапки откидываются назад, а усики плавно поворачиваются в направлении полёта, обеспечивая шмелю ориентацию. Такое поведение типично: насекомое «нацеливается» на полёт, выставляя антенны и придавая телу аэродинамическую устойчивость. Динамика крыльев и аэродинамика Высокоскоростная съёмка раскрывает сложную геометрию взмахов: шмель машет крыльями не просто вверх-вниз, а выполняет качательное движение с закручиванием концов крыла. Как показали исследования, крыла насекомых удерживаются под большим углом к набегающему потоку воздуха, создавая над крылом вихри – «мини- ураганы» воздуха. Эти вихри обладают пониженным давлением у центра, что увеличивает подъёмную силу – именно поэтому шмель и другие пчелообразные так эффективно летают. Далее в полёте шмель динамически изменяет амплитуду взмаха и частоту качания крыла. При больших нагрузках он увеличивает размах крыльев и дополняет это ростом частоты махов. В режиме «экономичного полёта» при тяжёлой ноше шмель может немного снизить частоту, сохраняя подъём за счёт увеличенного угла атаки – учёные называют это особым «режимом экономии». Видеозаписи демонстрируют, что шмель может менять траекторию крыла и угол фазы крыльев каждым махом, координируя работу мышц и эластичность хитинового каркаса крыла. Момент замыкания и размыкания крыльев над грудью (эффект «хлопка крыльями») также заметен при анализе кадров и может вносить дополнительную подъёмную силу. Значение визуализации полёта Высокоскоростные видеозаписи дают учёным уникальную возможность изучать кинематику полёта, недоступную при обычной съёмке. Например, съёмки шмеля на 1200 fps позволяют точно измерять амплитуду каждого взмаха, угол атаки крыльев и фазовый сдвиг между левым и правым крылом. С помощью такого «замедленного полёта» становится ясно, как именно генерируются подъемная сила и управление. Как показали работы на микрофлаттер-дронах, «движение крыльев фиксируется высокоскоростной камерой» для анализа аэродинамики. Ключевые преимущества замедленной съёмки полёта шмеля: Анализ аэродинамики. Видеокадры показывают вихри, образуемые крыльями (следы вихрей видны благодаря визуальным следам или частицам в воздухе). Это позволяет изучать механизмы подъёма, аналогичные эффектам винта вертолёта, и выявлять новые приёмы полёта, которые помогают шмелю преодолеть «запрет Поля Бюрмана» для махающих крыльев. Координация и координация. Можно подробно проследить, как шмель синхронизирует движения тела и крыла: видно, как он корректирует положение туловища, наклоняет голову, следит антеннами при поворотах. Такие тонкие особенности координации (например, изменение симметрии взмахов при маневрировании) невозможно уловить невооружённым глазом. Кинематика крыльев. Разбивка каждого крыльевого цикла позволяет измерять скорость окончания и начала взмаха, фиксировать фазовые задержки между изгибом и рефлексией крыла. Учёные, изучая аналогичные флаттер-микроаппараты, отмечают важность «фазовой задержки кончиков крыла» в генерировании тяги.