Ученые из США выяснили, почему древесные змеи не падают при полете
Особенности планирования в воздухе древесной змеи Chrysopelea paradisi изучили с помощью полета трехмерной математической модели ученые из Политехнического университета Виргинии, сообщает 26 июня пресс-служба университета на официальном сайте.
В междисциплинарный коллектив, созданный для изучения полета змей, вошли профессор кафедры биомедицинской инженерии и механики Джейк Соча, профессор кафедры аэрокосмической и океанической техники Шейн Росс и выпускник кафедры машиностроения Исаак Йитон. Для создания первой точной трехмерной математической модели полета райской украшенной змеи (Chrysopelea paradisi) ученые проанализировали особенности движения.
Исследование проходило в четырехэтажном театре «черный ящик» в Центре искусств Мосса с использованием 23 высокоскоростных камер. Змеи Chrysopelea paradisi прыгали с высоты 27 футов (около 8 метров) и, извиваясь, планировали вниз на искусственное дерево или на окружающий мягкий пенопласт.
«Полет змеи сложен, и часто трудно заставить змей сотрудничать. И есть много тонкостей, чтобы сделать вычислительную модель точной. Но приятно собрать все кусочки вместе», — поделился впечатлениями от работы Йитон
Камеры излучают инфракрасный свет, поэтому змеи были помечены светоотражающей лентой на 11–17 точках вдоль их тел, что позволяло системе определять их изменяющееся положение с течением времени. Данное число точек стало ключевым фактором для точности модели. Когда змея помечалась в трех или пяти точках, полученная информация обеспечивала только грубое понимание процесса полета и приводила к нестабильным моделям.
Было проведено измерение показателей 131 планирования живых змей. Оцифровывая движение животного во время полета, исследователи построили трехмерную математическую модель. Она учитывает частоту волнистых изгибов тела змеи, направление волн, действующие на тело силы.
Виртуальные эксперименты показали детали, которые ранее не были известны. Исследователи увидели, что извиваясь, змея использовала две волны: горизонтальную волну большой амплитуды и недавно выявленную вертикальную волну меньшей амплитуды. Волны шли одновременно и из стороны в сторону, и вверх-вниз. При этом вертикальная волна проходила в два раза быстрее горизонтальной.
Отмечается, что во время полета змея с помощью мышц изменяет свою форму. Тело является «изменяющимся крылом», на которое действуют силы подъема и сопротивления при протекании над ним воздуха. С уплощением змея посылает волнообразные движения по телу. Виртуальные эксперименты с моделью показали роль волнистых изгибов змеи.
Благодаря волнообразному движению змея способна уравновесить силу подъема и сопротивления, создаваемую ее уплощенным телом, что помогает ей обеспечивать планирование, не опрокидываясь. Волнистость не только удерживала змею от опрокидывания, но и увеличивала пройденные горизонтальные и вертикальные расстояния, а эксперимент с отключением волнообразного движения приводил к падению.
