O skrzydłach ptaków i samolotów

Aby zrozumieć dlaczego inżynierowie aerodynamiki tak bardzo zachwycają się sposobem latania ważek (i chcieliby go wykorzystać do budowy statków powietrznych), postanowiłam przyjrzeć się nieco tematowi latania z nieco szerszej perspektywy. Dlatego dziś parę informacji o samolotach, ptakach i prawach fizyki.

Obiekty cięższe od powietrza mogą latać dzięki zjawisku, którym rządzi prawo Bernoulliego (przystępne objaśnienia tu i tu). Asymetria skrzydła ptaka lub samolotu oraz jego ustawienie pod kątem do kierunku lotu powoduje, że prędkość opływającego je powietrza jest większa u góry niż u dołu. Zatem ciśnienie powietrza jest wyższe pod skrzydłem niż na jego górnej powierzchni. Skutkiem tej różnicy ciśnień jest siła nośna skierowana pionowo do góry, która może zrównoważyć działającą w dół siłę ciężkości, umożliwiając stabilny lot.
   
Siła nośna zależy od prędkości lotu – samolot lecący zbyt wolno spadnie ziemię. Prędkość lotu może być podtrzymywana przez silnik samolotu lub siłę mięśni ptaka. Inny sposób to umiejętne wykorzystanie siły ciążenia i termicznych prądów wstępujących w locie szybowym znakomicie opanowanym przez wiele gatunków ptaków.

Podstawowe prawo mechaniki lotu. Asymetria ptasiego skrzydła, podobnie jak asymetria skrzydła samolotu, powoduje różnice ciśnień, czego konsekwencją (efektem) jest siła nośna, która pozwala latać obiektom cięższym od powietrza. (źródło)

Zygoptera - informacje ogólne

Ważki równoskrzydłe (Zygoptera) to podrząd owadów z rzędu ważek (Odonata) obejmujący ok. 2900 gatunków. W większości są to ważki średniej wielkości, choć właśnie ważka równoskrzydła z gatunku Megaloprepus coerulatus ma największą rozpiętość skrzydeł (19 cm).
W podrzędzie Zygoptera wyróżnia się (obecnie) 28 rodzin, z czego przedstawiciele zaledwie czterech występują w Polsce (26 gatunków z 11 rodzajów należących do 4 rodzin).
Ważki równoskrzydłe polują nie tylko w locie na owady latające (komary, muszki, komarnice), ale mogą też chodzić po roślinach i zjadać mszyce czy pająki.
 

Oczobarwnica mniejsza Erythromma viridulum       Autor zdjęcia  Gilles San Martin 

Ważki równoskrzydłe z podrzędu Zygoptera charakteryzują się:

• długim, cienkim odwłokiem (proporcjonalnie dłuższym niż u ważek różnoskrzydłych Anisoptera). Odwłok jest dłuższy niż skrzydło
• dużym odstępem miedzy oczami złożonymi (większym niż szerokość oka). Oczy są stosunkowo mniejsze niż u Anisoptera
• dwiema parami prawie identycznych skrzydeł, które w spoczynku złożone są na odwłoku górną powierzchnią do siebie lub ukośnie pochylone do tyłu. Skrzydła są mocno zwężone u nasady.
• Zygoptera latają z mniejszą prędkością, ale mogą uderzać skrzydłami w różnych kierunkach, co zapewnia im duże możliwości manewrowania.

Celem tej notatki jest skrótowe omówienie 4 rodzin i 10 rodzajów ważek równoskrzydłych występujących w Polsce, by zyskać choćby minimalną orientację.

Rodziny Zygoptera występujące w Polsce:

• pióronogowate (Platycnemididae)            -  1 gatunek             (1 rodzaj)
• świteziankowate (Calopterygidae)            -  2 gatunki              (1 rodzaj)
• pałątkowate (Lestidae)                           -  8 gatunków           (3 rodzaje)
• łątkowate (Coenagrionidae)                     - 15 gatunki             (6 rodzajów)

Rodziny wymieniłam w kolejności uzależnionej od liczebności rodzajów i gatunków.

Szablaki - opis rodzaju

Sympetrum, zwyczajowo nazywane szablakami to liczny rodzaj ważek z rodziny ważkowatych (podrząd Anisoptera - różnoskrzydłe). W Polsce występuje tylko 9 spośród 61 odkrytych (dotąd) gatunków. Ponad 50 z nich żyje w w strefie umiarkowanej półkuli północnej. Podobno w Europie występuje około 13 gatunków. Żaden z gatunków szablaka nie pochodzi z Australii.
Ważki z rodzaju Sympetrum pod względem wielkości określane są jako niewielkie. Długość ich ciała wynosi od (29)30 do 44 mm. Najdłuższe polskie szablaki osiągają 40 mm (zob. porównanie).
Większość szablaków pojawia się późnym latem i dożywa jesieni (pierwsze przymrozki to kres ich życia). Można je spotkać na łąkach, nad stawami, rowami, torfowiskami i w lasach.

Szablaki charakteryzują się smukłym odwłokiem, który jest koloru:

• czerwonego o różnym natężeniu barwy (od jasnej, czerwonawej do bardzo intensywnego) - u wszystkich dojrzałych samców i niektórych samic. Wyjątkiem jest samiec szablaka czarnego (szkockiego) o czarnym odwłoku. Intensywność barwy zależy od gatunku i wieku osobnika.
• żółtego, żółto-złotego - u większości samic oraz u niedojrzałych samców, które ubarwieniem ciała (nawet oczu) bardzo przypominają samice swojego gatunku; posiadają jednak wtórny aparat kopulacyjny. W miarę dojrzewania przybierają intensywniejsze barwy i czerwienieją.

U starych osobników (szablaki żyją kilka tygodni) ubarwienie ciała, a zwłaszcza odwłoka brązowieje, "płowieje" tracąc intensywność - występuje dymorfizm wiekowy.
Na odwłokach szablaków u obu płci występują również czarne znaki (plamki, trójkąty, linie), których układ i kształt jest zależny od gatunku, ale i płci. Znaki te mogą być bardzo pomocne przy oznaczaniu gatunków - dla doświadczonych :-)

Skrzydło ważki pod mikroskopem

Konstrukcja skrzydeł ważki to majstersztyk: cztery skrzydła przeciętnej ważki ważą razem tylko pięć tysięcznych grama (0,005 g). Te cieniutkie, u przeważającej większości gatunków, przezroczyste powierzchnie nośne stanowią mistrzowskie osiągnięcie w dziedzinie budowy konstrukcji lekkich. Gdyby wyobrazić sobie skrzydła ważki jako dużą powierzchnię, wówczas 1 m² takiej powierzchni ważyć będzie zaledwie 3 gramy. Dla porównania folie z tworzywa sztucznego (np. poliamid czy poliester) o takiej samej grubości, ważą 2 do 3 razy więcej (0,010-0,015 g).

Optymalna konstrukcja ważek (w znaczeniu poruszania się w powietrzu) przejawia się także w proporcjach ich wielkości i wagi. Inżynierowie lotnictwa, opisując ciało w locie, posługują się tzw. liczbą Reynoldsa. Liczba ta mówi jak na prędkość i wielkość latającego ciała oddziałuje wpływ lepkości otaczającego powietrza (w lepszym zrozumieniu czym jest liczba Reynoldsa może pomóc ten wpis).

Dla dużego ptaka owa właściwość (lepkość) powietrza nie odgrywa prawie żadnej roli, dla owadów jednak tak. Lepkość powietrza jest dla małych owadów tak istotna, że właściwie w ich przypadku trzeba mówić o pływaniu w „gęstym” powietrzu, a nie o locie. Z powodu małej liczby Reynoldsa muszą one, w porównaniu z dużymi owadami, uderzać skrzydłami o wiele częściej, by uzyskać ciąg do przodu. Jednak ważki bez trudu osiągają szybkość rzędu 40 km/h machając skrzydłami ok. 30 razy/s. Również w trakcie powolnego lotu uzyskują wystarczającą siłę wyporu w opływającym ich skrzydła strumieniu powietrza.

Skrzydła owadów - teorie pochodzenia

Aves (ptaki), Chiroptera (nietoperze) i Insecta (owady) - co łączy te trzy odmienne grupy zwierząt? Oczywiście zdolność do aktywnego (z pewnymi wyjątkami) lotu, ewentualnie lotu ślizgowego. O ile u nietoperzy i ptaków skrzydła stanowią organy homologiczne, o tyle narządy te są analogiczne względem tych występujących u owadów. Skrzydła ptaków czy nietoperzy są zmodyfikowanymi kończynami przednimi (mięśnie, kości, morfologia, anatomia itd.). 
A czym są skrzydła owadów?  Niestety, ich pochodzenie nie zostało do końca wyjaśnione, choć powstało kilka hipotetycznych teorii ewolucjonizmu w aspekcie uzyskania zdolności lotu przez owady - jedyne latające bezkręgowce.
Po dziś dzień nie sformułowano jednej teorii, która pogodziłaby wszystkich uczonych zajmujących się ewolucją skrzydeł owadów. Stąd też mnogość i liczne odgałęzienia tych teorii, obarczonych mniej lub bardziej słusznymi błędami i niedociągnięciami. 
Natomiast wszyscy teoretycy szukają odpowiedzi na 5 pytań (wg Gillotta), czyli:

1.  Jaki był charakter połączeń prekursorów skrzydeł:- stawowy czy sztywny - zrośnięty?
2.  W którym miejscu ciała po raz pierwszy pojawiły się skrzydła i ile ich było początkowo?
3.  Do czego służyły pierwotnie proskrzydła?
4.  Jakie czynniki środowiska doprowadziły do powstania takiej postaci skrzydeł jako tworów nośnych?
5.  Jakie środowiska zasiedlały owady pierwotnie uskrzydlone, przodkowie dzisiejszych Pterygota?

Owady uskrzydlone (Pterygota) – owady skrzydlate lub wtórnie bezskrzydłe o odwłoku pozbawionym odnóży krocznych (typowych czy zmodyfikowanych). Owady uskrzydlone to najliczniejszy takson zwierzęcy, obejmujący około 1 milion gatunków. Zamieszkują środowiska lądowe wszystkich kontynentów, a także środowisko słodkowodne i (rzadziej) morskie, przy czym przystosowanie do życia w wodzie jest wtórne. (źródło)

Pośród teorii pochodzenia owadzich skrzydeł na szczególną uwagę zasługują dwie, cieszące się największą liczbą zwolenników - teoria paranotalna i skrzelotchawkowa.

Komputerowy model lotu ważki

Gdy ważka zrywa się do lotu jej skrzydła zawirowują powietrze wytwarzając złożone struktury (ciąg powietrza). Niedawno zespół badaczy z Uniwersytetu Stanowego im. Braci Wright w stanie Ohio, w oparciu o dokładną analizę ruchów ważki, stworzył pierwszą symulację 3-D tego zjawiska. Można ją obejrzeć na powyższym filmie. 
Wykreowanie tej komputerowej symulacji stało się możliwe dzięki wykorzystaniu kamer dużych prędkości oraz umocowaniu na skrzydłach ważek (różnoskrzydłych) specjalnych znaczników (markerów) śledzonych przez komputer. Wyniki tego przedsięwzięcia umożliwiły stworzenie matematycznego modelu lotu ważki precyzyjnie symulującego zawirowania powietrza oraz ukazanie sposobu ich powstawania (wytworzenia).
Zespół naukowców zamierza wykorzystać tę symulację przy konstruowaniu mikro pojazdów powietrznych (MAV, czyli  micro-air vehicle), które mogą być użyteczne podczas akcji poszukiwawczych i ratowniczych oraz monitoringu miejsc użyteczności publicznej.

Jak latają owady?

Umiejętność latania ułatwia [umożliwia] owadom podążanie za partnerem lub ściganie zdobyczy [oraz przemieszczanie się]. Owady szybują krążą lub latają wirującym lotem, dysponują przy tym pomysłowymi mechanizmami kontroli lotu i nawigacji.
Owady mają z reguły dwie pary skrzydeł o bardzo zróżnicowanym kształcie i wielkości. Podczas szybowania w powietrzu owady trzymają skrzydła szeroko rozpostarte, a przy locie aktywnym z reguły machają nimi w górę i w dół.
Liczba uderzeń skrzydłami [na sekundę] jest charakterystyczna dla różnych gatunków owadów, np.:

• motyle machają skrzydłami około 8-20 razy (bielinek kapustnik 6-9 razy)
• ważki równoskrzydłe machają skrzydłami około 15 razy
• ważki różnoskrzydłe machają skrzydłami około 30 razy
• ćmy (motyle nocne) machają skrzydłami około 30-40 razy
• biedronki machają skrzydłami około 90 razy
• osy machają skrzydłami około 110 razy
• trzmiele machają skrzydłami około 123-230 razy
• pszczoły machają skrzydłami około 190 - 200 razy (inne źródło podaje: 440 razy na sekundę, gdy leci bez obciążenia i 330 razy gdy obciążona wraca do ula)
• muchy machają skrzydłami 140 - 330 razy
• muchy pokojowe machają skrzydłami 352 razy (Wikipedia zaś podaje... 33 razy!)
• komary machają skrzydłami 300 do 600 razy
• wodzień (Chaoborus), owad podobny do komara macha skrzydłami aż 2200 razy w temp. 37 stopni C i 1000 razy w temp. 27 stopni C

Dla porównania śmigło samolotu obraca się 25 razy na sekundę...

Resilin - tworzywo przyszłości?

Elementy budowy ważek, w pojęciu maszyn latających, a nawet robotów, stanowią nie lada gratkę i wyzwanie dla konstruktorów, którzy szukają sposobów na skopiowanie technicznych rozwiązań występujących w przyrodzie. Co takiego jest w skrzydłach ważek, że potrafią tak szybko, precyzyjnie i ekonomicznie fruwać? Jak wspomniałam w poprzednim wpisie, aparat lotu ważki działa inaczej niż u większości owadów (te fruwają na zasadzie garnka i dociskanej, bądź unoszonej pokrywki). Otóż skrzydła ważki wspomagane są przez mocne mięśnie lotne znajdujące się w tułowiu i połączone są ze skrzydłami za pomocą stawów lotnych. A stawy te zbudowane są z materiału o szczególnych właściwościach mechanicznych, nazwanego resilinem. 
Michał Ostrowski opisuje go tak: "Jak żaden inny materiał jest on [ów resilin] bardzo elastyczny potrafiąc jednocześnie gromadzić dużą ilość energii, by ją potem, w odpowiedniej chwili, wyzwolić. To tak jakby zgnieść plastikową butelkę, która natychmiast po zgnieceniu wraca do poprzedniego kształtu. Resilin razem ze skrzydłami stanowi taki system ruchu, który pracuje z określoną częstotliwością". (źródło)
 

Czym zatem jest resilin?

Resilin jest elastomerowa forma białka występująca u wielu owadów. Znajduje się w tych częściach ciała, które umożliwiają wielu gatunkom owadów skuteczne poruszanie się lub machanie skrzydłami. Po raz pierwszy resilin został odkryty przez duńskiego zoologa Torkel'a Weis-Fogh'a (1922–1975) w stawach skrzydeł szarańczy.

O muszce, która ważce dała się upolować

Ważka jest drapieżnikiem, gdyż aktywnie poluje i zjada inne owady. Jest bardzo pożyteczna, gdyż przyczynia się do ograniczania populacji m.in. much czy komarów (moskitów w innych częściach świata). Badacze ustalili, że jest doskonałym i bardzo skutecznym łowcą. Jej pościgi uwieńczone są sukcesem w 95-97 procentach, co oznacza, że zaledwie 3 do 5 owadów na 100 zdoła jej umknąć. Jest to tak niewielki odsetek "ocalonych", że przypuszczam, iż wynika ze szczęśliwego dla ofiary przypadku - np. w kulminacyjnym momencie znajdzie się akurat pośród gęstych zarośli, gdzie ważka nie zdecyduje się kontynuować pościgu, lub nie może go już kontynuować, gdyż... sama stanie się ofiarą ptaka.
Dla porównania, "król" zwierząt (każdy wie, że to lew  ;-) ) osiąga zaledwie 50% skuteczności.
Na określenia "drapieżnik" i "ofiara" godzę się bez dyskusji - tak jest urządzony świat przyrody. Natomiast irytują mnie określenia typu: "bezwzględny zabójca", ale traktuję je jako określenia zastępcze ubarwiające opis, synonimy skutecznego drapieżnika. Bo przecież owa "bezwzględność zabójcy" w świecie zwierząt to nic innego jak właśnie wysoka skuteczność polowania - schwytanie ofiary i zabicie "na śmierć" w celu zaspokojenia swoich potrzeb (głodu), ale nie mordowanie ot, tak sobie, dla chorej przyjemności.

Poniżej przedstawiam kolejny film, nakręcony w wysokiej jakości (1000 klatek na sekundę), na którym można zobaczyć najpierw błyskawiczny (i skuteczny!) akt polowania ważki na maleńką muszkę, a następnie w zwolnionym tempie obejrzeć to wszystko jeszcze raz. Coś, co trwało mgnienie oka i zdawało być się przelotem ważki z liścia po lewej stronie i zniknięciem jej z kadru po prawej, z małym "zamieszaniem" pośrodku ekranu, okazało się być pełną sekwencją polowania ważki od zamysłu do finału: najpierw dostrzeżeniem muszki jeszcze z liścia, następnie startem w jej kierunku, zawróceniem i ustawieniem się do celu, schwytaniem i zjedzeniem zdobyczy oraz odfrunięciem w nieznane. W czasie rzeczywistym wszystko trwało zaledwie 3 sekundy, z czego ostatnia sekunda to właściwie opuszczenie sceny, gdy było już po wszystkim.

Oto moje spostrzeżenia dotyczące głównie drugiej części filmu (sekwencja w zwolnionym tempie):

Nieważki sen ważki

Skąd biorą się uszkodzenia skrzydeł ważek i w jakich okolicznościach powstają? Spróbuję odpowiedzieć na te pytania, na podstawie własnych obserwacji i wyciągniętych z nich wniosków.
Uszkodzenia skrzydeł, określane jako "zlatane" podzieliłabym na przynajmniej dwa rodzaje.
Pierwsze to wystrzępienia, wytarcia i ubytki na dolnych krawędziach skrzydeł, o np. takie:

Ten szablak ma wystrzępione, pełne ubytków wszystkie skrzydła

Drugi rodzaj uszkodzeń to dziury (przebicia) powierzchni skrzydła, które niejednokrotnie, choć nie zawsze, przechodzą w rozdarcie ku dolnej krawędzi.

Skrzydła tego szablaka zostały przedziurawione i rozdarte aż do dolnego brzegu

Budowa skrzydeł ważki

Znalazłam bardzo ciekawe opracowanie dotyczące ważek i wprost nie wyobrażam sobie, by go nie wykorzystać, zwłaszcza, że już dawno temu przygotowałam zdjęcia, które czekały tylko na naukowy, techniczny niemal opis. Tym razem chcę zaprezentować ważkę jako... maszynę latającą, którą żartobliwie nazwałam Fruvantus machina. Przyjmijmy, że wpisy z tego cyklu będą formą małej dokumentacji technicznej ważki, doskonałej istoty, niemal maszyny, stworzonej do fruwania.
Ostatnio pokazałam uszkodzone skrzydła szablaków, więc od nich dziś zacznę: jak skrzydła ważek są zbudowane i z czego wynika ich konstrukcja, o czym świadczy ich kształt i gęstość żyłek?

Oto żywy bionicopter, Fruvantus machina wylądował:

Szablaki należą do grupy ważek różnoskrzydłych (Anisoptera).

Szablaki należą do grupy ważek różnoskrzydłych (Anisoptera). Łatwo to poznać: kształt obu par skrzydeł różni się wyglądem i wielkością. Poza tym wszystkie ważki różnoskrzydłe przysiadając na podłożu nie składają skrzydeł wzdłuż ciała (odwłoka) unosząc je lekko do góry, lecz zawsze mają je rozłożone poprzecznie do osi ciała (jak samolot).

Skrzydła ważki różnoskrzydłej (tu: szablaka). W celu uwidocznienia cieniutkich, delikatnych, ale bardzo wytrzymałych skrzydeł zdjęcie zostało silniej skontrastowane.

Na powyższym zdjęciu widoczne są obie pary skrzydeł (druga jest większa), gęstą siatkę żyłek oraz pterostigmy - silnie zesklerotyzowane pólka na górnym brzegu każdego skrzydła. Pełnią one rolę stabilizatorów wibracji skrzydła w trakcie lotu.

Zlatane skrzydła ważek

Poszukując informacji m.in. o ważkach spotkałam się z pojęciem "zlatane skrzydła", które oznacza ubytki, uszkodzenia, wystrzępienia, rozdarcia. Skrzydła mogą być trochę lub mocno zlatane, czyli mniej lub bardziej zniszczone. Przyczyna powstawania tych uszkodzeń jakoś nigdzie nie została dokładniej wyjaśniona. Domyślam się zatem, że powstają one w miarę upływu czasu (wieku owada) w wyniku ich stopniowego "zużywania" oraz, być może, zawadzania o jakieś ostre przeszkody w czasie lotu. Spotkałam nawet opinię, że uszkodzenia mogą być wynikiem ataku drapieżników polujących na danego owada (np. ważkę, czy motyla). Ostatnia hipoteza nie bardzo do mnie przemawia - przypuszczam, że owadów, którym udało się wyrwać z dziobów ptaków nie jest tak wiele, a jeśli nawet, to uszkodzenia powinny być większe. No i skąd ta pewność, że spotkaliśmy właśnie akurat tak dzielnego (wyjątkowego) owada, który przeżył bezpośrednią potyczkę np. z ptakiem? Kolejne wyjaśnienie - zawadzanie o ostre przeszkody (np. szorstkie, kolczaste rośliny) także niespecjalnie do mnie przemawia - ważki są przecież niezrównane w locie i mają świetny wzrok, powinny więc radzić sobie (omijać) niebezpieczne zarośla. Wiek ważki i zużywanie skrzydeł, niczym ścieranie zębów czy rozpadanie się znoszonych butów? Tak, to niezłe wytłumaczenie, które także może determinować długość życia ważki. Uszkodziłaś, podarłaś skrzydła? Trudno, jeszcze jakiś czas możesz latać, ale nie będziesz już tak zwinna i szybka, by nie dać się złapać!
Sfotografowałam szablaki o skrzydłach w stanie idealnym oraz takie, które już sporo w życiu przeszły (miały sfatygowane skrzydła).

Dwie ostatnie ważki, które uwieczniłam w tym sezonie (18 września) wyjaśniły mi, jak sądzę,  przyczynę i okoliczności uszkadzania skrzydeł. Wydały mi się to najbardziej prawdopodobne, a nawet oczywiste! Nim to wyjaśnię przedstawiam przykłady uszkodzonych skrzydeł szablaków. Odnoszę wrażenie, że występuje tu pewna prawidłowość.

A może już nie trzeba będzie tego tłumaczyć, wystarczy dobrze się przyjrzeć i pomyśleć chwilkę?

Ważka - strzałkami zaznaczono uszkodzenia na skrzydłach. Zlatane skrzydła

Klasyfikacja szablaków wg rozpiętości skrzydeł

Myślę, że warto uporządkować szablaki pod kątem rozpiętości skrzydeł. Skoro i tak przygotowałam zestawienie gatunków, to dlaczego nie wykorzystać go bardziej uniwersalnie?
Dorzucam zatem zestawienie wg (maksymalnej) rozpiętości skrzydeł od najmniejszej do największej.
Pola z żółtym tłem oznaczają szablaki żółtonogie, a szare tło dotyczy szablaków czarnonogich. Przy tej samej rozpiętości skrzydeł dwóch czy więcej gatunków, podczas sortowania o kolejnej pozycji decydowała długość ciała.

Rozpiętość skrzydeł u szablaków - zestawienie

Gatunek szablaka	Długość ciała (D)	Rozpiętość skrzydeł (RS)
szablak południowy   Sympetrum meridionale	35	50
szablak przepasany (górski)  Sympetrum pedemontanum	32	55
szablak czarny (szkocki)   Sympetrum danae	35	55
szablak krwisty    Sympetrum sanguineum	34 – 40	55 – 60
szablak późny (podobny)   Sympetrum striolatum	40	60
szablak zwyczajny    Sympetrum vulgatum	40	60
szablak przypłaszczony    Sympetrum depressiusculum	29 – 34	62
szablak żółty   Sympetrum flaveolum	32 – 37	64
szablak wędrowny (wiosenny)   Sympetrum fonscolombii	33 – 40	64