Стрекоза способна не только быстро лететь вперёд, но и зависать на месте, резко поворачивать и двигаться задом наперёд. Такой манёвр кажется необычным для насекомого с длинным телом и четырьмя прозрачными крыльями. Учёные выяснили, что при обратном полёте стрекоза меняет положение тела и иначе использует движение крыльев.
В отличие от многих других летающих насекомых, стрекозы управляют передней и задней парами крыльев относительно независимо. Это позволяет менять направление создаваемой аэродинамической силы и быстро корректировать траекторию. Однако одного наличия четырёх крыльев для объяснения полёта назад недостаточно.
Механизм подробно исследовали специалисты Университета Вирджинии. Результаты работы Айодеджи Боде-Оке, Самане Зейгами и Хайбо Дуна были опубликованы в 2018 году в Journal of the Royal Society Interface. Исследователи наблюдали свободный обратный полёт стрекоз и анализировали движение крыльев с помощью высокоскоростной съёмки.
Три камеры позволили восстановить положение тела и крыльев в пространстве. Затем учёные использовали компьютерную модель потоков воздуха, чтобы оценить силы, возникающие при взмахах. Такой подход помог отделить видимое движение насекомого от аэродинамических причин манёвра.
Во время исследованного полёта назад стрекоза держала тело почти вертикально. Средний угол его наклона составлял около 90 градусов к горизонту, а движение происходило со скоростью порядка одного метра в секунду. Это наблюдение относится к конкретным экспериментальным условиям, а не к предельной скорости всех стрекоз.
Вертикальная поза меняет направление плоскости, в которой движутся крылья. В результате создаваемая ими сила получает составляющую, направленную назад. Подобное управление направлением тяги исследователи сравнивают с принципом изменения вектора силы у летательных аппаратов.
Важную роль играет и движение крыла вверх. При обычном полёте вперёд основная часть аэродинамической силы у многих стрекоз создаётся на ходе крыла вниз. При движении назад восходящий ход становится значительно активнее и помогает одновременно поддерживать тело и обеспечивать перемещение.
Исследователи обнаружили, что при обратном полёте крылья работают с увеличенным углом атаки на восходящем ходе. Из-за сочетания этого угла и движения тела изменяется относительная скорость воздуха возле крыла. Так возникает дополнительная аэродинамическая сила, необходимая для необычного манёвра.
На передней кромке крыла образуется устойчивый вихрь. Он влияет на распределение давления и позволяет крылу создавать большую силу при сложном нестационарном движении. В научной работе такой вихрь рассматривается как один из ключевых элементов механизма обратного полёта.
Передние и задние крылья при этом не действуют изолированно. Потоки, возникающие за передней парой, могут усиливать вихревые структуры возле задней. Это взаимодействие повышает эффективность работы крыльев, хотя его вклад зависит от конкретной фазы взмаха.
Способность летать назад может быть полезна при уходе от опасности, захвате добычи и быстром изменении положения в воздухе. При этом исследование не утверждает, что все виды стрекоз используют одинаковые движения в любой ситуации. Учёные описали физический механизм на основе наблюдений и моделирования.
Особенности полёта стрекоз интересуют не только биологов, но и инженеров. Управление силами при сложных взмахах может подсказать решения для небольших манёвренных летательных аппаратов. Природная конструкция показывает, как направление движения меняется без разворота всего тела по горизонтали.