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.

Mity o prędkości lotu ważek. Obalam

Z informacją, że ważka w ciągu 1 sekundy jest w stanie pokonać odległość równą stu długościom jej ciała zetknęłam się już niejednokrotnie. To nasunęło mi pomysł, by zweryfikować tę informację, zwłaszcza, że nie mogę pogodzić się z mnóstwem rozbieżnych danych dotyczących faktycznej prędkości ważek. Pomału ustalenie tego faktu, zupełnie mimo woli, staje się moją małą obsesją :-P.

Aby dokonać obliczeń postanowiłam uwzględnić długość ciała największych i najmniejszych ważek występujących w Polsce. Do największych pod względem długości ciała należą husarz władca (84 mm) oraz dwa gatunki z rodziny szklarnikowatych: szklarnik leśny i szklarnik górski (w zależności od źródła i płci mogą one osiągać długość od 78 do 85 mm). Dla uproszczenia uwzględnię tylko husarza władcę.
Z kolei najmniejszą długość ciała spośród ważek różnoskrzydłych (latających szybciej od równoskrzydłych, dlatego te pominęłam) ma szablak przepasany - zaledwie 32 mm. Dorzucam jeszcze najdłuższą i najkrótszą ważkę świata (źródło), zakładając dla dobra sprawy, że obie są dobrymi lotnikami (na razie nic nie wiem o tych gatunkach. No, może tyle, że bardzo małe ważki wcale nie latają, tylko przesuwają się po roślinach, by coś upolować).

Oto moje pierwsze zestawienie:

100 długości ciała na sekundę - ile to kilometrów na godzinę? Mit o prędkości ważek - tabela nr 1.

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.

Technika lotu - ważki kontra inne owady

Tematu skrzydeł ważek nadal nie wyczerpałam, a to bardzo interesująca konstrukcja sama w sobie, ale także w aspekcie sprawności (prędkości, zwrotności i precyzji), jak i niebywałej ekonomiki lotu.
Omawiając techniki lotu ważek posłużę się niemal w całości informacjami zaczerpniętymi z pracy Michała Ostrowskiego, pozwolę sobie jednak zrobić to w podpunktach [w nawiasach kwadratowym dodaję własne uwagi, uściślenia i pytania, na które szukam odpowiedzi]  

• W słoneczne dni ważki potrafią  szybować nad stawem całymi godzinami, pomimo że prawie nie poruszają skrzydłami. 
• Gdy tylko pojawi się jakiś owad, który mógłby być ich zdobyczą, chwytają go w błyskawicznym zwrocie. 
• Kiedy zjawi się jakiś uciążliwy rywal, wtedy ważki [samce, jak sądzę] stosują lot spiralny do góry i okrążając go w ten sposób przepędzają intruza. 
• W gęstych sitowiach, nad moczarami, potrafią szybować elegancko i z dużą szybkością, bez obawy, że zahaczą o coś delikatnymi skrzydłami [to ciekawe, jak udaje im się przemykać pośród gęsto rosnących roślin przy tak dużej rozpiętości skrzydeł?]. 
• Ważki nad wodą poruszają się jak niesłyszalne helikoptery. Uderzając skrzydłami tylko około 30 razy na sekundę, latają one absolutnie bezgłośnie. Jedynie gdy napięte powierzchnie nośne skrzydeł dotkną się, lot ważek zdradza cichy szelest. [30 uderzeń na sekundę to nie tak dużo i, jak dotąd, nie jestem pewna czy jest to maksymalna ilość. Ważki równoskrzydłe o "słabszym" użyłkowaniu uderzają tylko 15 razy/s. Te najszybsze ważki osiągają prędkość od 36 do 58 km/h, a spotykam informacje w całkiem poważnych źródłach, że i 80 km/h, a nawet jeszcze więcej... Dla porównania - komar uderza skrzydłami nawet 600 razy/s, ale jego prędkość maksymalna to 5,5 km/h. Tym bardziej należy docenić ekonomikę lotu ważki ]
• Skrzydła, oprócz tego, że służą do latania odgrywają także poważną rolę w zdobyciu partnera; na kołyszących się źdźbłach służą ważkom jako powierzchnie pozwalające utrzymywać równowagę; jako kolektory słoneczne, a nawet jako oręż obrony przeciw językom żab! [Przypuszczam, że skrzydła mogą służyć ważkom również do schwytania ofiary. Można to zaobserwować na filmie w poprzednim poście: ważka wcale nie dogoniła ofiary, lecz... czekała, aż muszka, chyba wbrew swojej woli zbliżyła się do ważki, a ta pochwyciła ją. Czyżby skrzydła wywołały prąd powietrza, który zawrócił muszkę i zassał ją wprost w "szpony" ważki? Tak właśnie to wyglądało]
• Ruchy skrzydeł przednich i tylnych mniej zgrabnie latających ważek równoskrzydłych nie są zsynchronizowane. Natomiast uderzenia obu par skrzydeł ważek różnoskrzydłych, wyjątkowo zwrotnych w locie, synchronizowane są przy pomocy systemu nerwowego.

Technika lotu większości owadów

Większość owadów lata według zasady „garnka do gotowania”. To tak jakby przykryć garnek mniejszą przykrywką, pod którą wkładamy dwie duże łyżki. Przyciskając pokrywkę do środka – łyżki unoszą się, podnosząc pokrywkę – łyżki opadają. U większości owadów działają jedynie siły wytworzone w obrębie tułowia pomiędzy „dnem” garnka a jego „pokrywką”.
Wyobrażam to sobie tak:

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):