Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech ostatních létajících tvorů. Může nám proto být zdrojem nesčetných inspirací.

V posledních letech podstatně vzrostl zájem o mikroletadla, miniaturní bezpilotní letové prostředky schopné autonomního letu s poměrně značným užitečným zatížením. Tím se myslí např. vybavení vlastním polohovacím a naváděcím systémem (GPS), vysílačkou, přístroji k mapování jinak nedostupných oblastí či k monitorování chemického znečištění ap. Není divu, že se konstruktéři mikroletadel inspirují v říši hmyzu. Například vážka je schopna nejen stabilního rychlého přímého letu, ale i bleskové změny směru, letu na místě či pozpátku. Přitom unese i několikanásobek své váhy (v kritických situacích až dvacetinásobek). Velkou inspirací se stal i čmelák, o němž se ještě donedávna tvrdilo, že by snad ani neměl mít schopnost létat. On přesto létá, a dokonce i se značným nákladem.

Reynoldsovo číslo

Reynoldsovo číslo je bezrozměrná veličina, která dává do souvislosti síly setrvačné a vazké; popisuje odpor prostředí jako důsledek vnitřního tření. Je závislé na rozměru, tvaru a rychlosti pohybujícího se tělesa a na vazkosti obtékající kapaliny. Vysoké hodnoty Reynoldsova čísla znamenají, že převládnou síly setrvačné nad silami vazkými, při nízkých hodnotách je tomu naopak. První případ nastane při velkých rychlostech a ve velkých vzdálenostech od obtékaného tělesa, druhý při velmi malých rychlostech, popřípadě velmi malých rozměrech tělesa, a v nejbližším okolí obtékaných stěn.

Reynoldsovo číslo je významným parametrem pro posuzování vzniku a vývoje vírů (určuje, zda bude proudění laminární, nebo turbulentní). čím je vyšší, tím méně ovlivňují třecí síly částic plynu celkový odpor. například při obtékání kruhového válce se při hodnotách Reynoldsova čísla řádu jednotek víry vůbec nevytvoří, takže za válcem nevzniká žádný úplav. Při hodnotách 5–49 je proudění za válcem odtržené se dvěma symetrickými víry. Při hodnotě 49 se začne objevovat slabá asymetrie vírů, a je-li hodnota ještě vyšší (49–90), začnou vznikat v úplavu pravidelné oscilace, spojené se střídavým zvětšováním a odplouváním vírů do úplavu – vytváří se Kármánova vírová řada.

Příklad Reynoldsova čísla pro vybrané předměty pohybující se v určitém prostředí.

Křídla

Pokud bychom se na let hmyzu dívali očima aerodynamiky letadel, nebyli bychom nikdy schopni jej vysvětlit (a čmelák by opravdu létat nemohl). Vynikajících letových vlastností dosahuje hmyz pouze díky pohyblivým křídlům, jež využívají víry při nestacionárním obtékání a velmi malé hodnotě Reynoldsova čísla (viz rámeček nahoře). Tehdy převažuje vliv vazkých sil nad silami setrvačnými.

Létat znamená vytvořit vztlak a tah. Vztlak působí proti zemské tíži, tah umožňuje pohyb vpřed. Všichni letci živočišné říše mají pohyblivá křídla, protože jenom taková jsou schopna sama vytvářet vztlak i tah. Krom toho slouží křídla i k ovládání a řízení letu a k udržování rovnováhy. Zatímco pro létající obratlovce (ptáky a netopýry) je typický mávavý pohyb křídel, hmyz křídly většinou kmitá. I proto jsou hmyzí křídla jiná, neboť musí vykonávat podstatně složitější pohyby, jakých by mávající křídlo nebylo schopno. Právě v nich je skryto celé tajemství neuvěřitelných letových schopností hmyzu – vytváření velkého vztlaku a neobyčejné ovladatelnosti.

Pantala flavescens, jeden z nejvytrvalejších letců vážčího světa. Tato vážka, vyskytující se v celém rovníkovém pásu, létá v obrovských hejnech a velkých výškách na velmi dlouhé vzdálenosti s dešťovými mraky; Indové podle ní předpovídávali příchod monzunů. V angličtině se jí říká „global wanderer“ – tráví většinu času ve vzduchu a patří mezi tzv. „gliders“, tedy „kluzáky“. Její křídla jsou dlouhá a ta zadní mají navíc velmi širokou bázi – velká konstrukční výhoda.Skeny © Aleš Dolný, Dan Bárta a Robert Lízler

Křídlatý hmyz je primárně čtyřkřídlý. Křídla vycházejí z druhého a třetího hrudního článku. Některé skupiny hmyzu jsou druhotně dvoukřídlé. Buď první, nebo druhý pár křídel je přeměněn k jinému účelu (krovky u brouků, polokrovky ploštic ap.). Zvláštním orgánem vzniklým z křídel jsou vahadélka (haltery). V nich jsou soustředěny smyslové orgány umožňující orientaci, ovládání letu a udržování rovnováhy (podobně jako gyroskop).

Křídlo hmyzu, které na první pohled vypadá jako tenký průsvitný pergamen, je ve skutečnosti složitou vícevrstvou tkání (obr. 1–4). Kromě dvou krycích vrstev je protkáno systémem žilek, které mají pro jednotlivé druhy charakteristické uspořádání. Navazují na oběhový systém těla, jsou naplněny hemolymfou a obsahují též vzdušnice a nervy. Protože stěna těchto kanálků je silně sklerotizována, slouží křídlům jako pevná výztuha. Systém je doplněn příčným žilkováním a do určité míry může měnit i vnitřní tlak. Díky tomu mohou křídla během letu měnit svou tuhost a ohybovou pevnost. Čím je systém žilek hustší a křídlo vyztuženější, tím více se chová jako pevné křídlo. Na rozdíl od pevných křídel letadel nebo pohyblivých a tvarově proměnlivých křídel ptáků nemění křídla hmyzu během letu svůj tvar. Mohou se jen prohnout a upravit příčný profil nebo se natočit. Povrch křídla zpravidla není hladký, ale je pokryt chloupky (někdy jen několik desítek mikronů dlouhými). Pravděpodobně slouží jako tlaková či rychlostní čidla při ovládání a řízení letu (podobně jako chlupy na křídlech netopýrů).

Cordulegaster bidentata – naše největší vážka; obratný a rychlý letec. Vzhledem k tomu, že jejím biotopem jsou drobné lesní vodoteče, nikoliv otevřená krajina, její křídla jsou v poměru k tělu dosti krátká.Skeny © Aleš Dolný, Dan Bárta a Robert Lízler

Poměr křídel jednoho z největších zygopterních druhů, Mecistogaster lucretia, a jednoho z nejmenších, Agriocnemis minima. Žilnatina drobného druhu je výrazně redukována, ovšem „základní konstrukce“ je u obou druhů shodná. Je zřetelně patrna struktura žilek i tmavé „závaží“ (pterostigma) u konce křídel.Skeny © Aleš Dolný, Dan Bárta a Robert Lízler

Víry a vznik vztlaku na pohyblivých křídlech

U hmyzu vytvářejí vztlak a rozhodují o průběhu letu víry. Jak výrazně se ale uplatní, popř. jak výrazně ovlivní obtékání křídla, závisí nejen na způsobu a rychlosti pohybu, ale i na vlastnostech vzduchu, zejména na vazkosti. Vzduch uvádějí do pohybu především síly setrvačné a brání mu v pohybu především síly vazké.

Víry vznikají na obou hranách křídel – náběžné i odtokové (obr. 5). Na odtokové hraně je to rozběhový vír, jenž je pak snášen po proudu rychlostí, kterou je křídlo obtékáno. Důležité je, že nesetrvává na křídle (ani na kmitajícím). Proudění, které kolem kmitajícího křídla vzniká, jej vždy posune za křídlo. Jakmile se ale změní směr pohybu křídla (křídlo se vrací), nutně se s tímto vírem opět musí setkat a vzájemně se ovlivní.

Náběžný a rozběhový vír. Vlevo: Cirkulace rozběhového víru vyvolá stejně velkou cirkulaci kolem profilu, ale s opačným znaménkem (opačným smyslem rotace). Vpravo obtékání tenkého křídla při velkém úhlu náběhu (značen α) a malých hodnotách Reynoldsova čísla. Cirkulace rozběhového víru vyvolá stejně velkou cirkulaci kolem profilu, ale v opačném směru. Kromě normálního vztlaku na křídle, daného otočením proudu, přistupuje i vztlak způsobený obtékáním náběžného víru.

Intenzita rozběhového víru závisí na obtékaném profilu. V aerodynamice je důležité, aby se proudy po obou stranách profilu sešly na odtokové hraně. To je ale u nesymetrického profilu nebo u profilu nastaveného do určitého úhlu náběhu možné jen tehdy, vytvoří-li se na profilu jakýsi virtuální vír – cirkulace rychlosti kolem profilu. Ta je vyvolána rozběhovým vírem a je zdrojem vztlakové síly.

Za náběžnou hranou kmitajícího křídla vzniká náběžný vír, který do sebe strhává obtékající tekutinu. Ta díky odstředivé síle na kmitajícím křídle proudí středem víru směrem ke konci křídla, dodává víru spirálovou strukturu a stabilizuje ho. U konce křídla se náběžný vír stáčí a přechází do koncového víru.

Aby se získal co nejvyšší vztlak, pohybuje se křídlo s velkým úhlem náběhu. Přitom se na ostré náběžné hraně vytvoří tzv. náběžný vír (obr. 5 vpravo). Je to oblast odtrženého proudění ohraničená vírovou vrstvou, která se stáčí do kornoutu a ohraničuje proud tak, jako kdyby ten najednou obtékal silnější profil (aerodynamicky vhodněji tvarovaný). Navíc do sebe strhává okolní vzduch, který urychluje, a vytváří podtlak, jenž se významně podílí na celkovém vztlaku. Strhávaný vzduch odvádí odstředivá síla ke konci křídla. Zpravidla se dříve, než ho dosáhne, stočí do úplavu za křídlem a splyne s rozběhovým vírem (obr. 6). Takové obtékání profilu je možné jen při velmi malých Reynoldsových číslech.

Z aerodynamického hlediska je existence náběžného víru velice významná. Kromě normálního vztlaku na křídle, daného otočením (zakřivením) proudu při velkém úhlu náběhu (tzv. srázem proudu), vztlak způsobený náběžným vírem významně přispívá k celkovému vztlaku.

K zajímavému efektu dochází na konci každé fáze pracovního cyklu (tj. v úvrati), kdy se křídlo musí překlopit, aby se vracelo zesílenou náběžnou hranou proti proudu (obr. 7). Při rychlém překlopení vzniká za hranou křídla opět náběžný vír, který může významně přispět ke vztlaku. Jeho velikost záleží nejen na rychlosti překlopení, ale i na poloze osy rotace. Čím bude blíže k odtokové hraně, tím intenzivnější bude náběžný vír. Vztlak, který vzniká na náběžné hraně při překlápění křídla, představuje až 30 % celkového vztlaku. Hmyz navíc dokáže nastavit počátek „překlápěcí fáze“ ještě před okamžik dosažení úvratě. I tím lze regulovat velikost a průběh vytvářeného vztlaku během jedné pracovní fáze.

U čtyřkřídlého hmyzu přistupuje ještě schopnost časování pohybu, takže křídla se mohou pohybovat paralelně, protiběžně či obecně s nějakým fázovým posunem. To je důležité zejména ve výjimečných situacích, jako je únikový manévr. Tehdy je kupříkladu vážka schopna vytvořit špičkový vztlak, odpovídající téměř dvacetinásobku její váhy. V běžném letu je fázový posun zadního křídla proti přednímu okolo 54–100° (zadní křídlo předchází přední), při letu na místě byl pozorován posun i o 180° (protisměrný pohyb).

Schéma nastavení kmitajícího křídla mezi oběma úvratěmi. V každé úvrati se musí křídlo překlopit, aby směřovalo vždy silnější náběžnou hranou (tu představuje zelený puntík) po směru pohybu křídla. Mezi okamžiky překlopení je křídlo obtékáno jako na obr. 5. Vlastní překlopení (vyznačeno zeleným rámečkem) probíhá velice rychle a vír, který při tom za překlápějící se náběžnou hranou vzniká, významně přispívá k zvýšení vztlaku. Rozběhový vír odplouvá od křídla rychlostí pohybu letce, takže při vyšších frekvencích kmitání křídla se s ním křídlo setká při svém zpětném pohybu (schematicky naznačeno v červeném rámečku). Protože má stejný smysl rotace jako náběžný vír, zvyšuje tak jeho intenzitu, a tím i vztlak.

U čtyřkřídlého hmyzu se také navzájem ovlivňují víry generované různými páry křídel. Víry mohou mít rozdílnou intenzitu a buď shodný, nebo opačný smysl rotace. V prvním případě se jejich účinek v místě interakce zesiluje, v druhém zeslabuje. Při pohybu křídel v opačném směru se může významně zvýšit vztlak, dostihne-li náběžný vír rozběhový vír z předchozího křídla. Oba víry totiž rotují stejným směrem a jejich interakce značně zvýší cirkulaci náběžného víru, a tím i vztlakovou sílu, kterou vytvářejí.

Popisované víry – každý jednotlivě a všechny dohromady – umožňují hmyzu zvýšit vztlak čtyřikrát až šestkrát ve srovnání s pevnými křídly, jež nekmitají a pohybují se jen jedním směrem a do pohybu jsou uváděna vnějším zdrojem energie (křídla letadel). Zatímco nepohyblivé křídlo získává v určitém okamžiku vztlak úměrný úhlu náběhu a ploše křídla, kmitající křídlo hmyzu tento okamžik znásobí s frekvencí kmitání křídla. Navíc kmitající křídlo vytváří vztlak při pohybu vpřed i vzad čili dvakrát v každém kmitu. Proto úměrně rychlosti kmitání snižuje potřebnou plochu křídla ve srovnání s nekmitajícím křídlem. Právě to umožňuje hmyzu dosahovat takových výkonů, nedostupných pro všechny ostatní letce živočišné říše.

Ovládání letu a pohybu křídel

Kromě natáčení roviny kmitání křídel ovlivňuje hmyz letové vlastnosti i změnou polohy trupu – při letu na místě trup „visí“ pod křídly, při letu vpřed se uvede do téměř vodorovné polohy. To výrazně sníží odpor letce a umožní větší náklon roviny kmitání křídel.

Každá pracovní fáze kmitajícího křídla není nutně vyvolána jen jedním nervovým impulzem, protože by nezbýval čas na relaxaci svalu. Letový sval reaguje na nervový podnět kontrakcí a při zvyšování frekvence impulzů nad určitou hranici se rezonančně rozkmitá a křídlo se po určitou dobu pohybuje bez dalších impulzů. Stimulace svalu ovšem nastává s určitým zpožděním, takže impulzy, které udržují svaly v chodu, je nutno přivádět v určitých pravidelných intervalech.

Nastavení a vzájemný pohyb křídel má vliv i na energetickou stránku letu. Některá opatření k zvýšení vztlaku působí protichůdně. Například zvětšení úhlu náběhu zvýší intenzitu vírů za křídlem a ty nepříznivě ovlivní aerodynamické vlastnosti druhého páru křídel. Výsledkem je zvýšená spotřeba energie a letec musí neustále hledat optimum mezi oběma vlivy. Dokáže si ale odpočinout např. klouzavým letem, bez aktivního pohybu křídel.

Aby hmyz dokázal najít svůj cíl, vyhnout se překážkám a udržet stabilitu za všech letových podmínek, potřebuje dokonalý systém čidel. Ta jsou rozmístěna téměř po celém těle a reagují na změny tlaku, rychlosti a směru letu i na vnější poryvy okolního prostředí. Jednoduchá očka a složené oči jsou schopny rozlišit až 200 zrakových vjemů za sekundu (u člověka se obraz slije už při 30 zrakových vjemech za sekundu). Čidla musí předat signály pohybovému ústrojí v nejkratším možném čase (zpravidla kratším než 30 ms). Hmyz proto používá vícestupňové řízení letu. Na nejnižší úrovni jsou tlaková čidla, která reflexivně a bezprostředně reagují na změny pohybu. Rovněž optická čidla působí přímo na letové svaly a udržují tak stabilní let, aniž by tím zatěžovala centrální nervovou soustavu a zpomalovala reakce hmyzu na vnější podněty. Teprve v nejvyšším stupni řízení je zapojen i „mozek“, který využívá signály optických čidel k řízení letu za daným účelem, což může být únik před predátorem, let za kořistí ap. Schopnost hmyzu vytvořit velký vztlak a skvěle řídit let z něj dělají dokonalý létací stroj. Dnes již základnímu mechanismu hmyzího letu rozumíme. To nám umožňuje napodobit ho a ovládat (obrázek na obálce), i když to není zrovna technicky jednoduché.