Οι πεταλούδες Monarch μεταναστεύουν περίπου 4000 χλμ. από τις βόρειες Ηνωμένες Πολιτείες ή τον Καναδά στο κεντρικό Μεξικό για να πέσουν σε χειμερία νάρκη, ένα μοτίβο μετανάστευσης που δεν συγκρίνεται με κανένα άλλο είδος του είδους τους. Ένα τόσο μεγάλο ταξίδι φαίνεται στην αρχή παράξενο: Οι πεταλούδες είναι τα μόνα ιπτάμενα πλάσματα με κοντά, φαρδιά και μεγάλα φτερά ανάλογα με το σώμα τους. Αλλά περισσότερα από το να πετάς αρκετά ψηλά για να πιάσεις ευνοϊκά ρεύματα ανέμου μπορεί να συνέβαλαν σε αυτήν την επιτυχία.
Τα λεπιδόπτερα, που σημαίνει «φολιδωτά φτερά» στα ελληνικά, είναι η επιστημονική ταξινόμηση που χρησιμοποιείται για τις πεταλούδες και τους σκώρους. Τα φτερά της πεταλούδας μπορεί να περιέχουν περισσότερα από ένα εκατομμύριο μικροσκοπικά λέπια που καλύπτουν και τις δύο πλευρές. Αν και το σχήμα των νιφάδων ποικίλλει, συνήθως έχουν πάχος 0,1 mm. Εκτός από το ότι διατηρούν τα έντομα στεγνά, τα λέπια τους δίνουν επίσης το χαρακτηριστικό χρωματικό τους σχέδιο που τα βοηθά να αποφεύγουν τους θηρευτές, να ελέγχουν τη θερμοκρασία και να προσελκύουν την έλξη του ζευγαρώματος. Επιπλέον, η μικρογεωμετρία του μπορεί να μειώσει την τριβή του δέρματος έως και 45%.
Τα σχέδια των φτερών των εντόμων ποικίλλουν πολύ και το μέγεθος παίζει σημαντικό ρόλο στην αποτελεσματικότητα της πτήσης. Τα μικρότερα φτερωτά έντομα όπως οι μύγες (200 Hz) χρησιμοποιούν υψηλότερες συχνότητες πτερυγίων, ενώ τα μεγαλύτερα έντομα όπως οι μονάρχες (10 Hz) χρησιμοποιούν χαμηλότερες συχνότητες. Οι περισσότερες πεταλούδες, συμπεριλαμβανομένων των μονάρχων, πετούν μόνο λίγα μέτρα πάνω από το έδαφος, αλλά κατά τη διάρκεια της μετανάστευσης έχουν παρατηρηθεί μονάρχες να ανεβαίνουν σε υψόμετρα άνω του 1 km, από τα οποία γλιστρούν για χιλιόμετρα με ρεύματα ανέμου. Όταν πετούν κοντά στο έδαφος και χτυπούν τα φτερά τους, μπορούν να πετάξουν με ταχύτητα έως και 5 m/s, που είναι περίπου η μισή ταχύτητα από τον ταχύτερο άνθρωπο στον κόσμο, τον Usain Bolt.
Ως μέρος ενός έργου που πραγματοποιήσαμε το 2017, οι ερευνητές εξέτασαν τις κινήσεις και τις τροχιές των πεταλούδων μονάρχης, πρώτα με τις κλίμακες ανοιχτές και στη συνέχεια με τις κλίμακες κλειστές. Πρώτον, το πείραμα διέψευσε την ιδέα ότι ένα έντομο χρειάζεται λέπια για να πετάξει. Το πιο σημαντικό, μετά την απαλή αφαίρεση των φολίδων που συνδέονται με το φτερό, παρόμοια με τα φτερά των πτηνών, το βάρος μιας πεταλούδας μειώθηκε μόνο κατά 9,5% κατά μέσο όρο.
Ωστόσο, σε μια μελέτη που περιελάμβανε 11 δείγματα και περισσότερες από 200 πτήσεις, η αφαίρεση των ζυγών μείωσε την αποτελεσματικότητα αναρρίχησης ενός μονάρχη κατά μέσο όρο 32%. Οι ροδέλες έχουν ιδιαίτερο και ευεργετικό σχεδιασμό που δημιουργεί μικρούς θαλάμους που βελτιώνουν την αεροδυναμική του πτερυγίου.
Flight Aerodynamics of Butterflies
Το σχήμα δείχνει τις τέσσερις βασικές δυνάμεις που δρουν σε μια πεταλούδα κατά τη διάρκεια της πτήσης με πτερύγια: ανύψωση (L), αντίβαρο (W), ώθηση (T) και έλξη (D). Τα φτερά παράγουν τρία από αυτά: ανύψωση, ώθηση και έλξη. Για να αναρριχηθεί το έντομο, η ισχύς ανύψωσης και ώθησης του πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το βάρος και τη δύναμη έλξης του. Επιπλέον, ο αέρας που έρχεται σε επαφή με τα φτερά ασκεί πίεση και διατμητική τάση στα φτερά, κάτι που είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο τα φτερά σηκώνουν δίχτυ, ώθηση και έλκονται.
Καθώς το έντομο πετά, δημιουργείται μια δίνη αιχμής από τον αέρα που περνά πάνω από κάθε φτερό. Χαμηλή πίεση δημιουργείται μέσα στη δίνη από την περιστρεφόμενη ροή και η προκύπτουσα διαφορά πίεσης κατά μήκος του πτερυγίου παράγει τόσο ανύψωση όσο και ώθηση. Η διατμητική τάση είναι η κύρια αιτία της μετατόπισης.
Διαφορετικά μοτίβα πτήσης πεταλούδων εντοπίστηκαν το 2020 από τους Christoffer Johansson και Per Henningsson χρησιμοποιώντας κάμερες αργής κίνησης και μετρήσεις ροής. Ανακάλυψαν ότι το τέλος της ανοδικής διαδρομής, όπου τα εύκαμπτα φτερά συμπλέκονται και πιέζουν τον παγιδευμένο αέρα μεταξύ τους, είναι όταν παράγεται η μεγαλύτερη ώθηση. Τρισδιάστατη, πολύπλοκη και ακανόνιστη ροή αέρα είναι όλα δυνατά. Κατά την πτήση με ανεμόπτερο, η τριβή του δέρματος ή η διατμητική τάση που προκαλείται από τον παχύρρευστο αέρα που κινείται πάνω από το φτερό αντιπροσωπεύει σχεδόν το ήμισυ της συνολικής δύναμης έλξης. Η ενέργεια που αφήνεται πίσω στις δίνες αφύπνισης, γνωστή και ως επαγόμενη έλξη, είναι ένας άλλος σημαντικός παράγοντας.
Η αναλογία ολίσθησης των μονάρχων υπολογίζεται συντηρητικά σε 4:1. Η τριβή του δέρματος κατά τη διάρκεια της πτήσης με ολίσθηση μπορεί να αντιπροσωπεύει το 10% ή λιγότερο της ανύψωσης, τουλάχιστον. Οι πεταλούδες πετούν αναποτελεσματικά λόγω των φτερών τους με χαμηλό λόγο διαστάσεων, τουλάχιστον σε σύγκριση με ένα Boeing 17, το οποίο έχει λόγο ολίσθησης περίπου 1:747. Αν υπήρχε τρόπος να μειωθεί η τριβή του δέρματος, οι μονάρχες θα μπορούσαν να κάνουν ελιγμούς στον αέρα με πολύ λιγότερη αντίσταση με το ελαφρύ σώμα και τα μεγάλα φτερά τους.
Πεταλούδες Τριβή με Αέρα
Αυτό που προκαλεί την τριβή του δέρματος στο φτερό μιας πεταλούδας είναι η ανάπτυξη ενός στρωτού οριακού στρώματος, μιας περιοχής ομαλής ιξώδους ροής με διαφορά ταχύτητας μεταξύ του πτερυγίου και του περιβάλλοντος αέρα. Στη μηχανική ρευστών, η λεγόμενη συνθήκη μη ολίσθησης δηλώνει ότι η ταχύτητα του αέρα κατά μήκος του πτερυγίου πρέπει να συμπίπτει με την επιφάνεια του πτερυγίου. Ωστόσο, η παρουσία μικροκοιλοτήτων που δημιουργούνται από λέπια αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ο αέρας αλληλεπιδρά με την επιφάνεια των φτερών.
Στους χώρους κάτω από τις κλίμακες, ο αριθμός Reynolds (αναλογία δυνάμεων αδράνειας προς ιξώδεις δυνάμεις) είναι μικρότερος από 10 λόγω του μικρού μεγέθους των ζυγών και της ροής του ιξώδους αέρα από πάνω τους. Λόγω του χαμηλού αριθμού Reynolds, η ροή είναι σταθερή και τακτική. Εάν ο αριθμός Reynolds αυξηθεί, η ροή θα αρχίσει να γίνεται ασταθής. Η ομάδα μου μπόρεσε να αναδημιουργήσει αυτή τη χαμηλή ροή αριθμού Reynolds στο εργαστήριο αντικαθιστώντας τον αέρα με ορυκτέλαιο υψηλού ιξώδους και τη ζυγαριά με κατασκευασμένες πλάκες που τριπλασίαζαν το μέγεθος της ζυγαριάς. Χρησιμοποιώντας γωνίες τοιχώματος κοιλότητας μεταξύ 22° και 45°, διερευνήθηκαν βιολογικά εμπνευσμένα μοντέλα της επιφάνειας της κλίμακας.
Καθώς το υγρό ρέει πάνω από τα κενά των νιφάδων εγκάρσια προς τις σειρές νιφάδων, συλλαμβάνονται μικρές δίνες. Αυτοί οι μικροί τροχοί αέρα είναι ανεξάρτητοι από την εξωτερική ροή και ουσιαστικά συγχωνεύονται με την επιφάνεια του φτερού. Όταν συμβεί αυτό, η εξωτερική ροή έχει τη δυνατότητα να υπερπηδήσει την επιφάνεια, παρακάμπτοντας εν μέρει την απαίτηση μη ολίσθησης. Εργαστηριακά αποτελέσματα έδειξαν ότι για τη ροή χαμηλού αριθμού Reynolds που συναντά τα λέπια μιας πεταλούδας κατά την πτήση, υπάρχει μείωση στην αντίσταση τριβής του δέρματος κατά τουλάχιστον 26% και έως και 45% σε σύγκριση με μια λεία επιφάνεια.
Σύμφωνα με τα πιο πρόσφατα ευρήματά μας, όταν ο κενός αριθμός Reynolds είναι σημαντικά υψηλότερος από 10 (80 ή περισσότερο), το θετικό αποτέλεσμα εξαφανίζεται καθώς η ροή στη μικρή δίνη γίνεται διαταραγμένη και συγχωνεύεται με την εξωτερική ροή πάνω από αυτήν. Επομένως, τα μικρά λέπια στα φτερά μιας πεταλούδας προσαρμόζονται τέλεια στις τυπικές ταχύτητες πτήσης του εντόμου. Εάν οι νιφάδες ήταν σημαντικά μεγαλύτερες, θα παρήγαγαν μεγαλύτερο αριθμό κενού Reynolds και θα έχαναν τον μηχανισμό ελέγχου ροής που αυξάνει την αποτελεσματικότητα της πτήσης.
Πηγή: Φυσική σήμερα
📩 14/09/2023 10:03