Мухобойка поднимает ветер

Дэвид Ху (David Hu), доцент Технологического института штата Джорджия (США);

Дэвид Ху, открывший константы де­уринации и дефекации млекопитающих и удостоенный в 2015 году Игнобелевской премии по физике [1, 2];

Дэвид Ху, следящий за полетом комаров под дождем и в тумане [3], желал бы от этих комаров и других кровососов вообще избавиться, чтобы они не докучали людям и животным. Он планирует разработать устройство, эффективно отгоняющее насекомых, причем несложное, экономичное и не загрязняющее окружающую среду [4].

Технические идеи исследователь черпает в природе, а животные отгоняют кровососов, помахивая хвостом. Этот факт можно считать доказанным: многочисленные наблюдения свидетельствуют, что частота взмахов зависит от количества кровососущих насекомых. А их бывает много: на одну лошадь садится до тысячи мух в час, а коровы теряют из-за них по триста миллилитров крови в день. Чтобы уменьшить среднее число насекомых/укусов на животное, копытные собираются в большие стада. Лошади часто стоят рядом, голова к хвосту, защищая голову и переднюю часть туловища соседа.

Идея использовать хвост животных для защиты от насекомых не нова. Опахалам и мухобойкам, напоминающим хвост, не одна тысяча лет, а иные даже делали из волос яков, быков или лошадей. Такие приспособления популярны у буддистов, потому что позволяют отгонять насекомых, не убивая. Научных наблюдений за взаимоотношениями «травоядное — комар» также предостаточно, поэтому Дэвиду Ху и его команде было, откуда черпать информацию. Однако исследователи, естественно, провели собственные измерения, для чего отправились в зоопарк Атланты. Именно туда они ходят всякий раз, когда нужно определить какие-либо физиологические параметры млекопитающих.

В зоопарке исследователи засняли, как обмахиваются хвостами зебры, жирафы и слоны, а на ферме и в парках Атланты сделали видеозаписи движения лошадиных и собачьих хвостов (рис. 1). Потом видеозаписи обработали, определили параметры движения хвостов и соотнесли их с массой тела животных (рис. 2). Оказалось, что длина хвоста не изометрична (изометрия означает, что пропорции тела независимы от его размеров). У крупных животных хвост относительно короче и амплитуда меньше. Различается и стиль махания. Жирафы, слоны и зебры качают хвостом в одной плоскости. За колебаниями хвоста лошади трудно наблюдать, потому что у него очень длинные волосы, которые развеваются во время движения. Собаки часто поднимают хвост и рубят им воздух, поэтому амплитуду его движений измеряли относительно положения «вертикально вверх». Собак, кстати, потом исключили из исследования, потому что они виляют хвостом независимо от присутствия насекомых, например при виде оператора, который их снимает.

Движение хвоста описали как движение сочлененного маятника, в котором кожа и часть кости образуют верхний маятник, а кисточка на хвосте — нижний. Когда такие длинные, тонкие маятники колеблются с естественной частотой, гравитационная потенциальная энергия превращается в кинетическую, и энергии расходуется мало. Однако животные действуют активно. Их хвосты раскачиваются в 3 раза чаще, чем качался бы маятник такой же длины, а энергии на это уходит в 27 раз больше. Зачем?

Исследователи предположили, что хвостом млекопитающие сбивают насекомых в воздухе. Однако подсчеты показали, что это не так. Согласно литературным данным, на 1 акр земли приходится около 80 комаров. В этом случае лошадь с длиной хвоста 1,4 м, частотой взмаха 0,66 Гц и амплитудой 63° попадала бы по комару раз в полторы минуты. Такую результативность нельзя назвать высокой. Так как же хвост отгоняет насекомых? Наверное, поднимает ветер.

И тогда экспериментаторы сделали универсальную модель хвоста. Поскольку настоящие хвосты сильно различаются размером и формой, а особенно кисточкой на конце, модель представляла собой черную пластиковую полосу, прикрепленную к вентиляторному моторчику. Скорость его вращения можно регулировать. Полоса темная, потому что таков цвет настоящих хвостов.

Доской с прикрепленным к нему вентилятором накрывали прозрачный акриловый цилиндр высотой 30 см, внутри которого находились десять желтолихорадочных комаров Aedes aegypti. Цилиндр встряхивали, чтобы все комары взлетели, и на две минуты включали вентилятор. За это время все насекомые куда-нибудь садились и больше уже не взлетали. Садиться они предпочитают на шероховатую поверхность, а стенки цилиндра гладкие. К тому же комары в стакане всегда летят вверх, а не вниз. Поэтому, когда цилиндр встряхивали, насекомые устремлялись наверх, на шероховатую крышку. Но между ними и посадочной поверхностью оказывался хвостоимитатор. Ученые запускали вентилятор с 17 разными скоростями, от 0 до 5,6 м/с, движение комаров при каждой скорости наблюдали трижды. Когда вентилятор выключен, комары беспрепятственно садились на крышку и на стенки достаточно близко от лопастей. При включенном вентиляторе они, кажется, и не подозревают о том, что лопасти движутся, пока не подлетят совсем близко. Тогда они шарахаются в сторону и садятся на стенку, примерно вдвое дальше, чем при выключенном устройстве (рис. 3).

Рис. 3. Траектория полета комара при выключенном (А) и включенном (Б) вентиляторе. Начальное положение насекомого отмечено кружочком, конечное — звездочкой. На фотографии скорость включенного вентилятора — 3,8 м/с, частота движения — 6 Гц [4]

Исследователи рассчитали скорость ветра при разных скоростях вентилятора. Она уменьшается экспоненциально. При скорости вращения лопастей 3,8 м/с скорость воздушного потока в плоскости вентилятора такая же, на расстоянии 5 мм она равна 1,3 см/с и всего 0,004 см/с в одном сантиметре от движущихся лопастей. Неудивительно, что насекомые не ощущают ветра, пока не достигнут плоскости вращения лопастей.

Чтобы помешать посадке, скорость ветра должна быть сопоставима со скоростью полета насекомого. Средняя скорость комара около 0,3 м/с, максимальная — 1,4–1,8 м/с. Исследователи подсчитали, что скорости хвоста 0,85–1,17 м/с достаточно, чтобы отогнать половину комаров. Возможно, животные бы и сильнее махали, но им это может быть тяжело.

Если насекомое все-таки прорывается сквозь ветер и садится на кожу, хвост из вентилятора превращается в мухобойку. Чтобы прихлопнуть кровопийцу, нужно приложить момент силы 10–100 Н×м. Животные охлопывают себя хвостами по бокам, при этом слон прикладывает момент силы 350 Н×м, сопоставимый с моментом седана «Хонда Аккорд». Взрослый человек весом 75 кг прыгая развивает момент 200 Н×м. Хвост жирафа весит не 11 кг, как у слона, а всего 3 кг, его момент составляет около 40 Н×м. Согласно расчетам, со времени, когда животное почувствует насекомое на своей коже, до того, как оно нанесет удар, пройдет 0,63–1,3 с. Этой скорости достаточно, чтобы прибить комара или муху до того, как они укусят.

Итак, хвост, работающий как вентилятор и мухобойка, достаточно эффективно уничтожает насекомых и может служить прототипом защитного устройства. Дэвид Ху — не первый, кому пришла в голову идея отгонять комаров вентилятором. Некая фирма уже выпускает и продает двулопастной настольный вентилятор, который вращается в горизонтальной плоскости и позволяет спокойно готовить и есть на открытом воздухе, отгоняя мух и комаров. Исследователи протестировали его в своем стакане с комарами и нашли, что он не так эффективен, потому что потребляет больше энергии. И форму лопастей не мешало бы подправить. Справедливости ради отметим, что создатели прибора не планировали использовать его в таких условиях.

Все выкладки Дэвида Ху относятся к комарам и другим мелким насекомым, которые летают со скоростью около метра в секунду. Крупные мухи разгоняются до 8 м/с. Чем быстрее летит насекомое, тем менее эффективен хвост. Но в запасе у млекопитающих есть и другие техники: сокращение подкожных мышц, трясение головой и прядение ушами. А нам хотя бы с комарами для начала справиться.

Наталья Резник

1. Комаров С. Механика мягкой силы // Химия и жизнь, 2017, № 6, сс. 38–40
2. Резник Н. Успеть за 12 секунд // ТрВ-Наука, 2017, № 229, с. 15
3. Химия и жизнь, 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.178905