Der mathematische Schmetterling: Simulationen liefern neue Erkenntnisse über Flug

(ISNS) – huschen und flatternde Schmetterlinge haben lange inspiriert, Dichter, Sänger und auch Boxer. Jetzt sind ihre Bewegungen inspirierende Forscher zu verstehen, wie winged Insekte können von Ort zu Ort.

"Als die Phrase"Schwebe wie ein Schmetterling"zeigt Schmetterlinge elegant herumfliegen,", sagte Studienautor Naoto Yokoyama, Assistant Professor in Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Kyoto in Japan. "Wir möchten verstehen, wie sie in der Sicht der Fluiddynamik fliegen."

Yokoyama und seine Kollegen erstellt numerische Simulationen der Vorwärtsflug ein Schmetterling. Sie modelliert einen Kastanie Tiger Schmetterling als vier starre Körper: ein Fußball-förmigen Thorax, die zwischen den Kopf und den Bauch, den Bauch und links und rechts dünnen, flachen Flügel liegt.

Die Forscher drei verschiedene Simulationen dieses mathematischen Schmetterlings lief, und festgestellt, dass das Insekt die Kräfte von teensy Whirlpools in die Luft, während jeder seinen Flügelschlag zum Aufzug erstellen. Sie bemerkten, dass der Schmetterling Flug uneben war, wie es durch die Luft, mit vielen Höhen und tiefen verschoben, wie es sich nach vorne geschoben.

In den winzigen fließt der Umgebungsluft die Schmetterlinge gab es einige Überraschungen. "Die Umströmung der Schmetterling viel turbulenter als erwartet," sagt Yokoyama.

Die Forscher vermutet, dass die kleinste Unebenheiten der Luft bewirkt, dass Schmetterlinge Signatur Flit und kann auch helfen, sie vor Raubtieren zu schützen – je mehr sie Ente und Weben, desto schwieriger ist es, sie zu fangen. Die Forschung wurde Anfang dieses Jahres in der Zeitschrift Physik der Flüssigkeiten veröffentlicht.

Ty Hendrick, Biologe an der University of North Carolina in Chapel Hill, sagt, dass die Forschung entspricht, was in der realen Welt bemerkt hat. "Schmetterlinge erscheinen instabiler als die meisten anderen Insekten und anderen verfügbaren Hinweise darauf, dass ihre erratische Flugrouten ein Anti-Predator-Mechanismus als die Anmerkung des Autors, sind" sagte er. "Giftige oder geschmacklos Schmetterlinge sind bekannt und glatter oder langsamer Flugrouten als essbare Sorten."

Hendrick, sagte die neue Forschung tut gut daran, Stand der kombinieren-die-Kunst computational Fluid Dynamics – mit 17. Jahrhundert Newtonschen Mechanik für eine flatternde Tier. "Die wichtigste fehlende Komponente aus der Simulation ist die wechselnde Form der Flügel des Schmetterlings inklusive. Dies nennt man Flugeffizienz zu verbessern und vielleicht auch dazu beigetragen den vorwärts-fliegender Schmetterling zu stabilisieren", sagte er.

Kameras zu helfen, entdecken Sie die Geheimnisse des Fliegens

Simulationen sind hilfreich, aber so ist die direkte Beobachtung, wenn es darum geht, Insekten-Flug. Tiras Lin, ein Bachelor-Forscher an der Johns Hopkins University, arbeitet an einem Projekt ähnlich wie Yokoyama besser Gurt die Macht von flatternden Flug.

Lin sagte, dass die Geheimnisse der Insekten Flug – wie ein Monarch-Schmetterling ist in der Lage, eine 90-Grad-Wendung zu machen, in einer Entfernung kürzer als seine Körpergröße oder eine Fruchtfliege leicht kopfüber an der Decke landen kann - Forscher seit Jahrzehnten verwechselt haben.

Lin nutzt High-Speed-Video zusammen mit Dissektion, die Bewegung leicht Flügel an einen Schmetterling beobachten. Durch Dissektion schätzen die Forscher die Massen der verschiedenen Teile des Körpers Insekt--einschließlich der Kopf, den Körper und die Flügel.

Für die Experimente halten die Forscher Distelfalter Schmetterlinge im Glas-Aquarium, die intensiv mit mehreren hellen Lampen beleuchtet wird. Drei High-Speed-Kameras mit enge Fokussierung Linsen erfasst Videos die Schmetterlinge-Manöver. Die Forscher erfassen 3.000 Frames pro Sekunde, weil der Schmetterling seine Flügel ca. 20 Mal pro Sekunde klappen.

"Diese Daten erlaubt es uns, die Bewegung der Flügel und Körper des Schmetterlings, mathematisch zu dokumentieren", sagte Lin. Bisher, sagt er, dass die Flügel eine große Rolle in der Physik scheinen der flatternden Flug.

"Athleten wie Eisläufer und Taucher ihre Arme und Beine bewegen rund um ändern, die räumliche Verteilung der Masse; Dies beeinflusst ihre Wendigkeit und insbesondere die Drehung ihres Körpers", sagte Lin."Durch unsere Forschung, glauben wir, dass es möglich ist, dass ein Insekt, etwas ähnliches mit seinen Flügeln und Körper tun kann."

Lin und andere Forscher suchen nach Wegen, dass Butterfly Flight Design helfen könnte die nächste Generation von Mikro-Antenne Fahrzeuge Aufklärungsmissionen durchzuführen oder die Umwelt zu überwachen.

"Ein Bereich, in dem Mikro-Antenne Fahrzeuge derzeit fehlen, ist Manövrierbarkeit und aufgrund der geringen Größe des modernen Designs, gibt es vieles, was aus der Flugdynamik des Insekten wie Schmetterlinge, gelernt werden kann", sagte Lin.

Katharine Gammon ist ein freier Wissenschaftsjournalist mit Sitz in Santa Monica, Kalifornien, und schreibt für eine Vielzahl von Zeitschriften über Technologie, Gesellschaft und Tierwissenschaften.

In Science News Service wird unterstützt durch das American Institute of Physics.