Рис. 17. Механизмы сцепления крыльев у пчел (а) и у тлей (6, в, г)
Рассмотрим теперь устройство крыла насекомого. На первый взгляд твердое, сухое крыло мухи или бабочки кажется безжизненным образованием. Но в действительности это далеко не так. В него входят нервы, внутри крыла имеется даже (правда, не у всех насекомых) кровообращение. Крыло насекомого — это изумительное "инженерное" творение природы, достойное восхищения техников. Оно разделяется на две механически различные компоненты: жилки и мембрану. Жилки, будучи построены по типу полых трубок, представляют собой чрезвычайно прочные образования. Но площадь, занимаемая ими в крыле, весьма незначительна, так как они очень тонки. Промежутки между жилками, ячейки, затянуты тонкой прозрачной мембраной. Последняя занимает большую часть площади крыла и очень гибка. Однако, будучи разделена на ячейки, натянутые на прочный каркас жилок, она приобретает значительную прочность. В общем, совокупность жилок и мембраны напоминает распущенный зонт с материей, натянутой на стальные прутья. Такое строение обеспечивает обширную гребную поверхность крыла при минимальной затрате материала и минимальном весе. Работа крыла характеризуется частотой взмахов. У насекомых же частота ритмических ударов крыльями очень велика. Ночные бабочки делают от 35 до 45 взмахов в секунду, стрекоза коромысло — от 80 до 100, оса — ПО, шмель — от 180 до 240, комнатная муха — 330, медоносные пчелы-от 180 до 340, комары — около 600 взмахов в секунду. Комары толкунчики, рои которых часто вьются столбом, предвещая хорошую погоду, делают 800 взмахов в секунду, а комары дергуны и комары мокрецы — даже до 1000 взмахов в секунду! Такой высокий ритм работы крыльев (а он присущ большинству хорошо летающих форм) убедительно говорит о колоссальной прочности крыльев. Крыло насекомого "оснащено" большим количеством разнообразнейших микроскопических органов чувств. Крохотные колбочки, щетинки, волоски, различаемые лишь при многократном увеличении под микроскопом, сложные устройства, называемые хордотональными сенсиллами, — вся эта удивительная аппаратура помогает насекомому отлично ориентироваться в пространстве. Одни органы регистрируют скорость встречного потока воздуха, другие выполняют осязательную функцию, третьи регистрируют крутящие моменты в разных направлениях. Остается только пожелать, чтобы самолеты будущего располагали комплексом столь точных, малогабаритных и высоконадежных в работе приборов!
Характер полета насекомых чрезвычайно разнообразен. Некоторые виды могут парашютировать. Такой полет наблюдается при роении поденок; при этом насекомое, взлетев вертикально на 1 — 2 м вверх и остановив крылья в несколько приподнятом положении, медленно падает вниз. В замедлении спуска, кроме крыльев, большую роль играют длинные хвостовые нити. Вследствие сопротивления воздуха они раздвигаются, загибаются концами вверх и тянут за собой и конец брюшка. Когда насекомое снова начинает работать крыльями, набирая высоту, хвостовые нити сближаются, их концы загибаются вниз и брюшко опускается. Таким образом, это настоящий парашютный спуск, но здесь парашютируют не только плоскости крыльев, но и хвостовые нити. Крупным формам свойствен планирующий полет: насекомое "выключает мотор" и в течение некоторого времени движется вперед — планирует. Например, крупная бабочка перламутреница планирует в течение 20 сек со скоростью 1 — 3 м/сек, а крупная стрекоза, используя на высоте 3 — 4 м токи воздуха, восходящие от нагретой почвы и растительности, может планировать до 4 — 5 мин. Но поскольку планирующий полет требует большой абсолютной величины крыла, он не получил большого развития у насекомых.
Основной формой полета насекомых является гребной полет, т. е. полет в результате непрерывных ритмических взмахов крыльями. Познакомимся теперь с механизмом гребного полета, с аэродинамическим эффектом движения крыла на двух схемах Маньяна (рис. 18). На первой схеме (А) показана стадия опускания крыла, на второй (Б) — стадия его подъема.
В полете крыло насекомого работает то верхней, то нижней поверхностью, поворачиваясь вокруг продольной оси насекомого. Когда крыло переходит из положения I в положение IV, оно бьет сверху вниз своей нижней поверхностью (положения II и III показывают это особенно ясно). Возникает подъемный эффект, в результате которого тело насекомого поднимается вверх. При переходе из положения IV в V крыло поворачивается вокруг продольной оси и, пройдя через вертикальное положение, переходит в наклонное — нижним краем вперед. После этого начинается обратное движение крыла, т. е. его подъем вверх, изображенный на схеме (Б). Нетрудно увидеть, что, переходя из положения VI в VII и VIII, крыло, словно весло, ударяет спереди назад. Вследствие этого тело насекомого получает толчок вперед. Дойдя до крайней верхней и задней точки, крыло снова поворачивается около своей продольной оси, затем принимает горизонтальное положение, и цикл повторяется вновь. Первую часть траектории крыла называют подъемной, или элеваторной, вторую — пропеллирующёй. За полный цикл вершина крыла описывает по отношению к телу насекомого восьмеркообразную кривую, наклоненную верхним концом назад, или лемнискату, которая при движении растягивается в кривую, напоминающую синусоиду (рис. 19). Благодаря большой частоте взмахов элеваторный эффект аэродинамически сливается с пропеллирующим, и насекомое движется вверх и вперед. Таким образом, согласно теории Марея — Бюлля — Маньяна, принцип работы крыла насекомого столь же прост, сколь и совершенен.
Рис. 18. Правое крыло летящего насекомого в основных положениях I — VIII. Вид сзади (вверху), сбоку (в середине) и сверху (внизу). Обращенная к зрителю вентральная поверхность заштрихована накрест, когда она видна, и косо, когда она заслонена туловищем (по Маньяну)
Итак, крыло насекомого в полете все время меняет свое положение относительно тела и воздуха, постоянно меняет угол атаки и скорость. Это открывает огромные возможности для активного воздействия на угол атаки, потому что всегда можно подобрать такие режимы взмаха, чтобы свести лобовое сопротивление к минимуму.
Вот наглядное тому подтверждение. Недавно советские инженеры Н. В. Погоржельский, И. Н. Виноградов и Г. А. Гладких спроектировали по принципу работы крыла насекомого ветряк.
Использование в его конструкции восьмеркообразного взмаха (особыми добавочными и подвижными лопастями) принесло ощутимый эффект по сравнению с работой обычных ветряков. Такой ветряк может работать при очень малых скоростях ветра и практически бездействует только при полном штиле.
Рис. 19. Траектория, описываемая концом крыла насекомого. Вверху — относительно его тела, внизу — относительно неподвижного наблюдателя (по В. Ковалеву и С. Ошанину)
Гребной полет имеет у насекомых различные формы. Он является предпосылкой для планирования и парашютирования, а главное — позволяет достигать больших скоростей. В 1937 г. в одном из солидных американских журналов появилось сообщение о том, что определенный вид мух способен летать со скоростью до 1554 км/час. Публикация была воспринята по-разному: одна часть читателей была ошеломлена сообщением, другая — приняла сенсацию восторженно. Но все это длилось недолго — возмущенные физики заявили, что в рамках элементарных законов природы полет мухи со сверхзвуковой скоростью невозможен. Однако скорости перемещения насекомых достаточно велики. Тот, кому приходилось гоняться за бабочками, знает, что и капустница, и белянка, и бабочка адмирал, если они вздумали лететь на дальнее расстояние, мгновенно превращаются из еле-еле порхающих созданий в скоростные махолеты, способные развивать скорость до 40 км/час. Во всяком случае, угнаться за ними — дело совершенно безнадежное. Известен случай, когда бабочка данаида, выпущенная в Бристоле, пролетела за 5 час около 130 км.
Точно определить абсолютные скорости полета насекомых в естественных условиях очень трудно. Карл фон Фриш, например, выпускал занумерованных пчел на большом расстоянии от улья, куда они немедленно возвращались. Моменты выпуска и возвращения в улей точно регистрировались. В этих опытах скорость полета равнялась 23,5 км/час. Другие исследователи установили, что медоносная пчела может летать со скоростью до 50 км/час. Французский ученый А. Маньян (1934 г.) прикреплял к телу насекомого тонкую нить, которая сматывалась с легко вертящегося барабана, и таким образом определял скорость полета насекомых 30 видов. Однако этот метод далеко не безупречен, поскольку вес нити и трение оси барабана, несомненно, уменьшали скорость полета насекомых. Ныне, используя комплекс новейших методов и средств исследования, ученым все же удалось получить достаточно достоверные данные о скорости полета ряда насекомых. Так, майские жуки пролетают в секунду до 3 м, шмель — до 5 м, жуки-навозники — до 7 м, стрекозы — до 10 м. Бабочка олеандровый бражник — жительница средиземноморских тропиков — по неизвестным причинам нередко прилетает к берегам Балтийского моря. Расстояние в 1200 км она покрывает менее чем за сутки, т. е. летит со средней скоростью 15 м/сек, или 54 км/час. Из известных нам насекомых наибольшей скоростью горизонтального полета, по-видимому, обладает крупная стрекоза дозорщик. Не раз наблюдалось, что она подолгу сопровождала в полете учебный самолет, летевший со скоростью 144 км/час и более, и временами даже обгоняла его!
Абсолютные скорости полета насекомых зависят от длительности полета, температуры воздуха, скорости и направления ветра и ряда других параметров. Но при всех благоприятных условиях абсолютная скорость насекомых, за исключением таких, как бабочки бражники, стрекоза дозорщик, все же очень мала, в десятки раз меньше, чем у современных самолетов. Сравним скорости самолета со скоростями птиц и насекомых. Если скорость самолета равна 900 км/час, то для стрижа она равна 100, для скворца 70, для вороны 50 и для шмеля 18 км/час. Зато не может не вызвать самого большого восхищения относительная скорость полета насекомых. Если сравнить относительные скорости для тех же примеров, т. е. подсчитать, сколько раз за единицу времени данный летун успеет отложить длину своего тела в полете, то оказывается, что относительная скорость больше всего у насекомого и меньше всего у самолета!