Как стрекоза согласует работу двух пар крыльев

Стрекоза может менять очередность движений передних и задних крыльев. Две пары способны взмахивать с разницей во времени или двигаться почти одновременно. Это меняет взаимодействие крыльев с воздухом и помогает перестраивать полёт. При этом важны также наклон крыла, различия между правой и левой сторонами и небольшие изменения его формы.

Взмахи не обязаны совпадать по времени

Частота показывает, сколько раз повторяется движение за определённое время. Сдвиг фаз описывает другое: в какой момент своего взмаха находится одна пара относительно другой. При одинаковой частоте передние крылья могут идти вниз, когда задние уже движутся вверх. Поэтому слово «быстрее» не объясняет всю перестройку работы четырёх крыльев.

В исследовании потоков вокруг живых стрекоз наблюдали свободный полёт и полёт с креплением. При обычном свободном движении передняя и задняя пары работали встречно. При разгоне насекомые переходили к взмахам в одной фазе. Возле крыльев менялась организация завихрений — вращательных движений воздуха, участвующих в создании сил.

Значение имеет и угол, под которым крыло встречает поток. Быстрое увеличение этого угла сопровождалось возникновением вихря у передней кромки. Следовательно, перестройка полёта включает и время движений, и положение поверхности крыла. Одна неподвижная фотография не показывает ни очередности взмахов, ни картину окружающего воздуха.

Заднее крыло встречает след переднего

Крыло движется через воздух, который уже может быть возмущён соседним крылом. Поэтому две пары нельзя всегда рассматривать как четыре совершенно отдельные одинаковые пластины. Их взаимное расположение во времени меняет то, какой поток встречается с задней парой.

В опыте с механической моделью стрекозы проверяли разные сочетания движений. Подходящее согласование передних и задних крыльев уменьшало потери энергии на закручивание потока. При этом само наличие двух пар не давало преимущества по подъёмной силе в сравнении, использованном авторами. Эффективность и величина подъёмной силы оказались разными характеристиками.

Результат модели показывает возможную пользу согласования крыльев. Он не означает, что любая живая стрекоза постоянно экономит одинаковую долю энергии или пользуется единственным выгодным ритмом. Для оценки конкретного полёта нужно знать движения и условия, а не только число крыльев.

Для поворота важны различия между сторонами

Передняя и задняя пары — не единственное разделение. Правая и левая стороны тоже могут создавать неодинаковые силы. В исследовании со стрекозами на гибком креплении высокоскоростная съёмка показала два способа поворота.

При одном из них различались размах взмаха и иногда угол встречи крыла с потоком. Насекомое наклонялось, а часть подъёмной силы направлялась вбок, помогая изменить траекторию. При другом способе тело поворачивалось вокруг вертикальной оси без такого наклона.

Движения второго типа удалось разобрать менее подробно. Авторы предложили объяснение через сопротивление на крыльях с разных сторон. Поэтому наблюдение поворота и его предполагаемая механическая причина имеют разную степень определённости. Исследовательское крепление также следует учитывать при переносе результата на свободное движение.

Крыло немного меняет форму во время взмаха

Настоящее крыло не остаётся идеально жёсткой плоской деталью. В работе с трёхмерной реконструкцией свободного полёта измеряли его скручивание и изгиб. Высокоскоростные камеры позволяли сопоставлять форму в разные моменты, а точность восстановленной поверхности проверяли по изображениям.

Разбор заднего крыла конкретной стрекозы показал тонкие изменения кривизны. Исследователи предположили, что мышцы возле основания могут участвовать в изменении формы ближайшего к телу участка. Это не доказательство активного управления каждой точкой крыла: часть объяснения остаётся предположением, а наблюдавшаяся деформация сама по себе не раскрывает все причины.

Согласованная работа получается из сочетания нескольких изменений. Время взмахов определяет встречу соседних крыльев с потоком; наклон и форма влияют на местные силы; различия между сторонами участвуют в повороте. Рассматривать эти параметры вместе полезнее, чем приписывать всю манёвренность одному универсальному движению четырёх крыльев.