Мухобойка піднімає вітер

Наталія Резнік

Девід Ху (David Hu), доцент Технологічного інституту штату Джорджія (США);

Девід Ху, який відкрив константи деурінації та дефекації ссавців і удостоєний у 2015 році Ігнобелівської премії з фізики [1, 2];

Девід Ху, який стежить за польотом комарів під дощем і в тумані [3], бажав би від цих комарів та інших кровососів взагалі позбутися, щоб вони не докучали людям і тваринам. Він планує розробити пристрій, який ефективно відганяє комах, причому нескладний, економічний і не забруднює довкілля [4].

Технічні ідеї дослідник черпає в природі, а тварини відганяють кровососів, помахуючи хвостом. Цей факт можна вважати доведеним: численні спостереження свідчать, що частота помахів залежить від кількості кровосисних комах. А їх буває багато: на одного коня сідає до тисячі мух на годину, а корови втрачають через них по триста мілілітрів крові на день. Щоб зменшити середнє число комах/укусів на тварину, копитні збираються у великі стада. Коні часто стоять поруч, голова до хвоста, захищаючи голову і передню частину тулуба сусіда.

Ідея використовувати хвіст тварин для захисту від комах не нова. Опахалам і мухобійкам, які нагадують хвіст, не одна тисяча років, а інші навіть робили з волосся яків, биків або коней. Такі пристосування популярні у буддистів, тому що дозволяють відганяти комах, не вбиваючи. Наукових спостережень за взаєминами «травоїдне — комар» також предостатньо, тому Девіду Ху і його команді було, звідки черпати інформацію. Однак дослідники, природно, провели власні вимірювання, для чого вирушили в зоопарк Атланти. Саме туди вони ходять щоразу, коли потрібно визначити будь-які фізіологічні параметри ссавців.

Ріс. 1. Слон помахує хвостом, відганяючи комах. Комахи на відеозаписі не видно, але дослідники вважають, що він махає не просто так [4] («ТрВ» № 24 (268), 04.12.2018) ‘) «>

Ріс. 1. Слон помахує хвостом, відганяючи комах. Комахи на відеозаписі не видно, але дослідники вважають, що він махає не просто так [4]

У зоопарку дослідники зняли, як обмахуються хвостами зебри, жирафи і слони, а на фермі і в парках Атланти зробили відеозаписи руху кінських і собачих хвостів (рис. 1). Потім відеозаписи обробили, визначили параметри руху хвостів і співвіднесли їх з масою тіла тварин (рис. 2). Виявилося, що довжина хвоста не ізометрична (ізометрія означає, що пропорції тіла незалежні від його розмірів). У великих тварин хвіст відносно коротший і амплітуда менший. Розрізняється і стиль махання. Жирафи, слони і зебри качають хвостом в одній площині. За коливаннями хвоста коня важко спостерігати, тому що у нього дуже довге волосся, яке майорить під час руху. Собаки часто піднімають хвіст і рубають їм повітря, тому амплітуду його рухів вимірювали відносно положення «вертикально вгору». Собак, до речі, потім виключили з дослідження, тому що вони виляють хвостом незалежно від присутності комах, наприклад при вигляді оператора, який їх знімає.

Рис, 2. Залежність між масою тіла тварини і параметрами руху її хвоста [4] («ТрВ» № 24 (268), 04.12.2018) ‘) «>

Рис, 2. Залежність між масою тіла тварини і параметрами руху її хвоста [4]

Рух хвоста описали як рух зчленованого маятника, в якому шкіра і частина кістки утворюють верхній маятник, а пензлик на хвості — нижній. Коли такі довгі, тонкі маятники коливаються з природною частотою, гравітаційна потенційна енергія перетворюється на кінетичну, і енергії витрачається мало. Однак тварини діють активно. Їх хвости розгойдуються в 3 рази частіше, ніж гойдався б маятник такої ж довжини, а енергії на це йде в 27 разів більше. Навіщо?

Дослідники припустили, що хвостом ссавці збивають комах у повітрі. Однак підрахунки показали, що це не так. Згідно з літературними даними, на 1 акр землі припадає близько 80 комарів. У цьому випадку кінь з довжиною хвоста 1,4 м, частотою помаху 0,66 Гц і амплітудою 63 ° потрапляв би по комару раз на півтори хвилини. Таку результативність не можна назвати високою. Тож як хвіст відганяє комах? Напевно, піднімає вітер.

І тоді експериментатори зробили універсальну модель хвоста. Оскільки справжні хвости сильно розрізняються розміром і формою, а особливо пензликом на кінці, модель являла собою чорну пластикову смугу, прикріплену до вентиляторного моторчика. Швидкість його обертання можна регулювати. Смуга темна, тому що такий колір справжніх хвостів.

Дошкою з прикріпленим до нього вентилятором накривали прозорий акриловий циліндр заввишки 30 см, всередині якого знаходилися десять жовтотихоманних комарів Aedes aegypti. Циліндр струшували, щоб усі комарі злетіли, і на дві хвилини вмикали вентилятор. За цей час всі комахи куди-небудь сідали і більше вже не злітали. Сідати вони воліють на шорстку поверхню, а стінки циліндра гладкі. До того ж комарі в склянці завжди летять вгору, а не вниз. Тому, коли циліндр струшували, комахи прямували нагору, на шорстку кришку. Але між ними і посадковою поверхнею опинявся хвостоімітатор. Вчені запускали вентилятор з 17 різними швидкостями, від 0 до 5,6 м/с, рух комарів при кожній швидкості спостерігали тричі. Коли вентилятор вимкнений, комарі безперешкодно сідали на кришку і на стінки досить близько від лопатей. При увімкненому вентиляторі вони, здається, і не підозрюють про те, що лопаті рухаються, поки не підлетять зовсім близько. Тоді вони шарахаються в бік і сідають на стінку, приблизно вдвічі далі, ніж при вимкненому пристрої (рис. 3).

Рис, 3. Траєкторія польоту комара при вимкненому (А) і включеному (Б) вентиляторі. Початкове положення комахи відзначено кружечком, кінцеве — зірочкою. На фотографії швидкість увімкненого вентилятора — 3,8 м/с, частота руху — 6 Гц [4] («ТрВ» № 24 (268), 04.12.2018) ‘) «>

Рис, 3. Траєкторія польоту комара при вимкненому (А) і включеному (Б) вентиляторі. Початкове положення комахи відзначено кружечком, кінцеве — зірочкою. На фотографії швидкість увімкненого вентилятора — 3,8 м/с, частота руху — 6 Гц [4]

Дослідники розрахували швидкість вітру при різних швидкостях вентилятора. Вона зменшується експоненційно. При швидкості обертання лопатей 3,8 м/с швидкість повітряного потоку в площині вентилятора така ж, на відстані 5 мм вона дорівнює 1,3 см/с і всього 0,004 см/с в одному сантиметрі від рухомих лопатей. Не дивно, що комахи не відчувають вітру, поки не досягнуть площини обертання лопатей.

Щоб перешкодити посадці, швидкість вітру повинна бути порівнянна зі швидкістю польоту комахи. Середня швидкість комара близько 0,3 м/с, максимальна — 1,4 ‑ 1,8 м/с. Дослідники підрахували, що швидкості хвоста 0,85 ‑ 1,17 м/с достатньо, щоб відігнати половину комарів. Можливо, тварини б і сильніше махали, але їм це може бути важко.

Якщо комаха все-таки проривається крізь вітер і сідає на шкіру, хвіст з вентилятора перетворюється на мухобійку. Щоб прихлопнути кровопивцю, потрібно докласти момент сили 10… 100 Н.. Тварини охлоплюють себе хвостами з боків, при цьому слон прикладає момент сили 350 Н: м, порівнянний з моментом седана «Хонда Акорд». Доросла людина вагою 75 кг стрибаючи розвиває момент 200 Н ­ м. Хвіст жирафа важить не 11 кг, як у слона, а всього 3 кг, його момент становить близько 40 Н ­ м. Згідно з розрахунками, з часу, коли тварина відчує комаху на своїй шкірі, до того, як вона завдасть удару, пройде 0,63 ‑ 1,3 с. Цієї швидкості достатньо, щоб прибити комара або муху до того, як вони вкусять.

Отже, хвіст, що працює як вентилятор і мухобійка, досить ефективно знищує комах і може служити прототипом захисного пристрою. Девід Ху — не перший, кому прийшла в голову ідея відганяти комарів вентилятором. Якась фірма вже випускає і продає дволопастний настільний вентилятор, який обертається в горизонтальній площині і дозволяє спокійно готувати і їсти на відкритому повітрі, відганяючи мух і комарів. Дослідники протестували його у своїй склянці з комарами і знайшли, що він не такий ефективний, тому що споживає більше енергії. І форму лопатей не заважало б підправити. Справедливості заради зазначимо, що творці приладу не планували використовувати його в таких умовах.

Всі викладки Девіда Ху відносяться до комар та інших дрібних комах, які літають зі швидкістю близько метра в секунду. Великі мухи розганяються до 8 м/с. Чим швидше летить комаха, тим менш ефективний хвіст. Але в запасі у ссавців є й інші техніки: скорочення підшкірних м’язів, трясіння головою і прядіння вухами. А нам хоча б з комарами для початку впоратися.

1. Комаров С. Механіка м’якої сили//Хімія і життя, 2017, № 6, сс. 38 ‑ 40

.2. Різник Н. Встигнути за 12 секунд//ТрВ-Наука, 2017, № 229, с. 15.

3. Хімія і життя, 2012, № 12, с. 23

.4. Matherne M. E., Cockerill K., Zhou Y., Bellamkonda M., Hu D. L. Mammals repel mosquitoes with their tails // J. Exp. Biol. 2018, 221, jeb178905, DOI:10.1242/jeb.178 905.