Крылья бабочки кажутся слишком тонкими, чтобы выдерживать сильный дождь. Однако их поверхность устроена так, что попавшая капля часто быстро распадается и соскальзывает, не успевая надолго намочить крыло. Такая защита важна для насекомого: тяжёлая вода мешает полёту, а охлаждение снижает активность мышц.
На первый взгляд крыло выглядит гладким, но под увеличением обнаруживается сложный рельеф. Оно покрыто мельчайшими чешуйками, а на поверхности расположены микроскопические выступы. Вместе с водоотталкивающими веществами этот рельеф меняет поведение воды при ударе.
Исследователи Корнеллского университета изучали, как быстрые капли взаимодействуют с крыльями насекомых, листьями и перьями птиц. В работе, опубликованной в 2020 году в Proceedings of the National Academy of Sciences, использовали высокоскоростную съёмку. Она позволила увидеть процессы, которые для человеческого глаза происходят почти мгновенно.
Выяснилось, что микровыступы способны разбивать ударяющуюся каплю на более мелкие части. Вода распределяется по поверхности иначе, чем на обычном гладком материале, и быстрее отскакивает или стекает. В результате сокращается время непосредственного контакта с крылом.
Ещё один элемент защиты — тонкий восковой слой. В сочетании с микрорельефом он помогает воде не растекаться сплошной плёнкой по поверхности. Это явление называют сверхгидрофобностью, когда капля сохраняет компактную форму и легко отделяется от материала.
Важно различать защиту от смачивания и абсолютную водонепроницаемость. Крылья бабочки не превращаются в герметичную оболочку: сильный ливень, повреждения чешуек или длительное намокание всё равно создают проблемы. Поэтому насекомые нередко пережидают плохую погоду в укрытии.
Для маленького летающего животного даже сравнительно небольшая капля может оказаться серьёзной нагрузкой. Вода добавляет массу и нарушает аэродинамику, а при ударе передаёт крылу механический импульс. Быстрое разрушение капли помогает уменьшить это воздействие.
Есть и температурный эффект. Дождевая вода может быть холоднее тела активного насекомого, а продолжительный контакт ускоряет отвод тепла. Чем быстрее вода покидает поверхность, тем меньше времени остаётся для такого охлаждения.
Подобные механизмы встречаются не только у бабочек. Исследователи сравнивали крылья, листья и птичьи перья, обнаруживая у них разные варианты сочетания микроструктуры и водоотталкивающих покрытий. Природа использует сходные физические принципы для решения разных задач.
При этом внешний рисунок крыла и его водоотталкивающие свойства — не одно и то же. Яркие узоры прежде всего связаны с окраской и строением чешуек, тогда как отталкивание капель определяется ещё и микроскопической геометрией поверхности. По обычной фотографии невозможно точно оценить, насколько хорошо конкретное крыло защищено от воды.
Учёные изучают такие поверхности не только ради понимания биологии. Их устройство подсказывает идеи для покрытий, с которых дождь быстро удаляется без дополнительной энергии. Это направление исследований называют биомиметикой — поиском инженерных решений по образцу природных структур.
Однако копировать природный эффект непросто. Искусственному материалу нужно сохранять свойства при загрязнении, трении и многократном намокании. Поэтому лабораторные результаты не означают, что любой материал с микроточками будет вести себя как крыло бабочки.
Главный секрет защиты заключается не в силе самого крыла, а в том, как оно взаимодействует с водой в первые мгновения удара. Микрорельеф и водоотталкивающий слой помогают капле быстрее разрушиться и уйти с поверхности. Это уменьшает нагрузку на насекомое, хотя не отменяет необходимости прятаться от сильного дождя.