|
|
В.А. Шашлов
Шмели летают благодаря использованию эффекта «пара вращений». Крылья шмеля формируют 2 противоположно вращающихся вихря: эти вихри образуют пару вращений, придающую шмелям поступательное движение.
Цель работы
Целью работы является выявление физического принципа полета шмеля, а также создание на этом принципе летательных аппаратов нового типа.
Содержание работы
В первой части изложена постановка проблемы.
Во второй части описано предлагаемое решение проблемы.
В третьей части рассмотрена возможность использования разгадки физического принципа полета шмеля для создания нового класса летательных аппаратов.
I. Постановка проблемы
Проблема понимания физических принципов полета шмеля, возникла в 30ые годы прошлого столетия, когда на основе законов классической аэродинамики было показано, что площадь крыльев шмеля не достаточна для подъема в воздух.
Википедия утверждает, что проблема полета шмеля решена: компьютерный анализ потоков воздуха, создаваемых крыльями шмеля, показал, что эти потоки являются вихревыми, а законы вихревой аэродинамики существенно отличаются от законов классической аэродинамики. Однако, несмотря на большое количество работ, посвященных применению вихревой аэродинамики к исследованию механизма полета насекомых, механика полета шмеля остается тайной: количественные оценки параметров полета шмеля за счет создаваемых крыльями вихрей отсутствуют.
В данной заметке предлагается принципиально новый механизм полета шмеля. Суть этого механизма состоит в том, что 2 вихря, формируемые правыми и левыми крыльями, действуют не по отдельности, а совместно, создавая эффект «пара вращений», который придает шмелям поступательное движение.
Если удастся доказать данное утверждение, то принцип полета шмеля может быть использован для создания принципиально новых летательных аппаратов. Вопрос об использовании эффекта «пара вращений» для создания нового класса летательных аппаратов рассмотрен в работах [1,2].
II. Путь решения проблемы
В основу предлагаемого решения проблемы полета шмеля положено утверждение, что крылья шмеля действительно приводят прилегающий к крыльям слой воздуха во вращательное движение, создавая вихревые потоки.
В отличие от компьютерной модели, это не локальные завихрения, а 2 постоянно действующих вихря. Эти вихри находятся в непосредственном контакте со слоем ворсинок на туловище шмеля и составляют с туловищем одно целое. Проникая в этот слой, молекулы воздуха тормозятся и передают туловищу часть своего момента количества движения. Затем молекулы воздуха снова приводятся крыльями во вращательное движение и включаются в сформировавшиеся вихри.
Примечание. Небольшая часть вихря рассеивается в окружающую среду, но вихрь постоянно подпитывается вовлечением во вращательное движение новых слоев воздуха.
Вихри, создаваемые левыми и правыми крыльями, вращаются в одной плоскости в противоположных направлениях, благодаря чему на туловище создается пара вращений. Вихрь, создаваемый правым крылом, вращается по часовой стрелке, а вихрь, создаваемый левым крылом – против часовой стрелки. Благодаря такой ориентации, оба вихря «толкают» туловище в одном направлении, в котором шмель осуществляет полет.
Данный механизм более эффективен, чем гидродинамический механизм, в котором подъемная сила возникает за счет разности давлений: в данном случае вращательная энергия воздушных масс непосредственно преобразуется в энергию поступательного движения шмеля, минуя стадию создания разности давлений.
Примечание. Сила, осуществляющая полет шмеля, не связана с созданием вокруг шмеля участков воздушной среды, имеющих различное давление.
Рассмотрим количественную характеристику данного механизма полета шмеля, используя и кинематический, и динамический подходы. В расчетах используются следующие параметры шмеля: масса m ~ 1 г, длина ℓ ~ 3 см.
1. Кинематическая оценка.
Скорость поступательного движения, создаваемого парой вращений, имеет величину v ~ [ω, r], здесь ω – угловая скорость вращения внешнего слоя вихря, граничащего с туловищем шмеля, r – расстояние между центрами вихрей.
Величина ω совпадает с частотой колебательно-вращательного движения крыльев ω ~ 300 рад/сек, r ~ ℓ/2 ~ 1,5 см. Подставляя данные величины, получаем v ~ 300*1,5*10-2 ~ 4,5 м/сек. Именно таково значение максимальной скорости шмеля.
2. Динамическая оценка.
Для подъема в воздух требуется мощность N ~ mg*vz, здесь mg – сила тяжести (g ~ 9,8 м/сек2 – ускорение свободного падения), vz – скорость подъема по вертикальной оси. Принимая vz ~ 1 м/сек, получаем N ~ 0,01 вт.
Примерно такая же мощность требуется для преодоления сопротивления воздуха при горизонтальном полете. Шмель вполне способен вырабатывать мощность ~ 0,02 вт.
Таким образом, и кинематическая, и динамическая оценки показывают, что эффект «пара вращений» может являться физической причинной полета шмеля.
Чтобы проверить данный вывод, необходимо исследовать структуру вихревых потоков, образующихся в полете шмеля. Требуется проверить такие параметры:
1. крылья шмеля действительно образуют постоянные вихри,
2. вихри вращаются в плоскости, перпендикулярной направлению полета,
3. направления вращения вихрей противоположны,
4. правый вихрь вращается по часовой стрелке, а левый – против часовой стрелки.
С помощью современной экспериментальной техники проверить данные утверждения не представляет особой сложности: это позволит убедиться, что шмели действительно летают на эффекте пара вращений.
Примечание. Можно побрить верхнюю часть шмеля: в отсутствии ворсинок, сцепление вихрей с туловищем будет ослаблено, и шмель не сможет взлететь.
III. Опытный образец и практическое применение
Справедливость данного механизма полета шмеля может быть проверена не только путем «натурных» экспериментов на шмелях: целесообразно изготовить модели, которые смогут совершать поступательное движение, используя эффект «пара вращений».
Простейшая модель представляет собой небольшой кораблик, плавающий на поверхности воды. На носовой и кормовой частях кораблика установлены вертикальные оси, на которые подаются вращательные моменты. Эти моменты ориентированы в противоположных направлениях и создают пару вращений. Для успеха эксперимента необходимо, чтобы кораблик (плечо пары вращений) был достаточно длинным и вращающие моменты превышали пороговую величину.
Примечание. Вращательные моменты должны преодолевать тормозящее действие друг на друга, обусловленное тем, что самые оконечные части носа и кормы (лежащие вне отрезка, соединяющего центры осей вращения) эти моменты будут вращать в противоположных направлениях.
Если эксперимент покажет, что кораблик начнет двигаться боком, – это будет явным указанием, что движение осуществляется за счет эффекта пары вращений.
Положительный результат эксперимента откроет прямую дорогу к созданию принципиально нового класса кораблей и летательных аппаратов.
Заключение
В работе описан принцип полета шмеля на основе эффекта «пара вращений», а также предлагается новый класс летательных аппаратов на основе данного эффекта.
В теоретической механике известна теорема, что любое поступательное движение может быть представлено в виде пары вращений. Шмель является организмом, который научился использовать эффект «пара вращений».
Эффект «пара вращений» имеет квантовый аналог в виде эффекта «пара спинов», когда два соседних спина, приложенных к одной микрочастице, ориентированы в противоположных направлениях, и между ними имеется ненулевое плечо.
Эффект «пара спинов», вероятно, реализуется в полярных головках липидных молекул, составляющих цилиндрические слои в миелиновых оболочках нейронов. Данный эффект способен выполнять функцию накачки, благодаря которой в этих слоях формируются когерентные акустоэлектрические волны, из которых образуются кубиты, позволяющие мозгу работать в режиме квантового компьютера [3].
Выводы
1. Шмели летают, используя эффект «пара вращений».
2. Возможно создание нового класса летательных аппаратов, основанных на эффекте «пара вращений».
3. Эффект «пара спинов» играет существенную роль в явлениях микромира и участвует в работе сознания.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Шашлов, Новый класс летательных аппаратов // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26102, 13.02.2020
2. В.А. Шашлов, Новый класс летательных аппаратов (II) // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26452, 06.06.2020
3. В.А. Шашлов, Тайна Сознания // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27038, 16.03.2021
В.А. Шашлов, Физика полета шмеля // «Академия Тринитаризма», М.,
 |