Ważki - stworzone, by latać (cz. 1)

Michał Ostrowski

Projekt w przyrodzie.

Ważki – stworzone, by latać *

(cz. 1) 

 

 

Człowiek od wieków podpatrywał konstrukcyjne i inżynieryjne rozwiązania, występujące w przyrodzie. Rozwinęła się nawet osobna dziedzina wiedzy – biomimetyka, która stawia sobie za cel przenoszenie inżynieryjnych rozwiązań zastosowanych w świecie przyrody do naszej technologii. Nie jest więc zaskoczeniem, że dobrze nam znana konstrukcja latająca – helikopter – powstał z inspiracji projektu zastosowanego w organizmach żywych. Pionier techniki śmigłowcowej, Igor Sikorski (1889-1972), wypracował swój model lotu helikoptera właśnie na podstawie obserwacji lotu ważek (Odonata). Te frapujące stworzenia, zaliczane do podgromady owadów latających, występujące na wszystkich lądach, są prawdziwymi mistrzami powietrznych akrobacji. Wypoczywając w ciepły dzień nad stawem lub jeziorem zwróćmy uwagę na te „zminiaturyzowane helikoptery”, bo jest na co popatrzeć. Ważki całymi godzinami potrafią w słoneczne dni szybować nad stawem, pomimo że prawie nie poruszają skrzydłami. Jednak gdy tylko pojawi się jakiś owad, który mógłby być ich zdobyczą, chwytają go w błyskawicznym zwrocie. Kiedy zaś zjawi się jakiś uciążliwy rywal, wtedy ważki stosują lot spiralny do góry i okrążając go w ten sposób przepędzają intruza. Zaś w gęstych sitowiach, nad moczarami, potrafią szybować elegancko i z dużą szybkością, bez obawy, że zahaczą o coś delikatnymi skrzydłami. Ważki nad wodą poruszają się jak niesłyszalne helikoptery. Uderzając skrzydłami tylko około 30 razy na sekundę, latają one absolutnie bezgłośnie (jedynie gdy napięte powierzchnie nośne skrzydeł dotkną się, lot ważek zdradza cichy szelest). Skrzydła zresztą nie służą wyłącznie do latania: odgrywają one poważną rolę w zdobyciu partnera; na kołyszących się źdźbłach służą ważkom jako powierzchnie pozwalające utrzymywać równowagę; owady te stosują je również jako kolektory słoneczne, a nawet jako oręż obrony przeciw językom żab!

  

Z ogólnej liczby około 4500 gatunków ważek, na obszarze Europy Środkowej żyje 80 gatunków. Owady te dzielą się generalnie na dwa podrzędy: ważki różnoskrzydłe (Anisoptera) i ważki równoskrzydłe (Zygoptera) – trzeci rząd, Anisozygoptera, obejmuje głównie gatunki kopalne, współcześnie reprezentowany jest przez jedną rodzinę występującą na obszarze Japonii. Do ważek różnoskrzydłych zaliczamy m.in.: żagnicowate (np. zalotka, husarz), gadzigłówkowate, szklarnikowate, szklarkowate i ważkowate; ważki równoskrzydłe obejmują m.in.: pióronogi, łątkowate, pałątki, świteziankowate. Do pierwszego podrzędu należą przeważnie gatunki duże, do drugiego zwykle gatunki średniej wielkości – choć rozmiary nie są rozstrzygającym kryterium rozróżniania. Wypoczywającym letnikom znacznie łatwiej rozróżnić te podrzędy na podstawie skrzydeł. Ważki równoskrzydłe posiadają prawie jednakowej wielkości pary skrzydeł przednich i tylnich i podczas spoczynku składają je razem unosząc nieco do góry. Dla odmiany ważki różnoskrzydłe posiadają różnej wielkości skrzydła tylnie i przednie, które podczas spoczynku ułożone są poprzecznie do linii ciała. Również w czasie lotu ważki tych podrzędów różnią się zasadniczo: ruchy skrzydeł przednich i tylnich, mniej zgrabnie latających ważek równoskrzydłych, nie są zsynchronizowane, natomiast uderzenia obu par skrzydeł ważek różnoskrzydłych, wyjątkowo zwrotnych w locie, synchronizowane są przy pomocy systemu nerwowego. Obserwując powietrzne akrobacje ważek, łatwo zauważymy, że są to owady wręcz stworzone do latania.

 

Aerodynamiczne ciało

Jak u wszystkich owadów, ciało ważek zbudowane jest z głowy (caput), tułowia (thorax) i odwłoku (abdomen). Budowa ta posiada jednak wiele szczególnych cech, umożliwiających ważkom ich tryb życia, głównie technikę lotu. Łatwo zauważyć wyróżniający się, długi na zapałkę, szczupły odwłok, który odgrywa rolę laski balansowej, stabilizując lot ważek, mieszcząc w sobie ponadto układ trawienny i rozrodczy. Budowa segmentowa i skórne połączenia gwarantują odpowiednią elastyczność i ruchliwość. Każdy pojedynczy element posiada szkielet zewnętrzny, zbudowany, podobnie jak w przypadku rycerskiej zbroi, z twardych płytek brzusznych oraz bardzo mocnych płytek na grzbiecie. Ten wyjątkowo lekki, a zarazem mocny szkielet zbudowany jest z chityny – bardzo lekkiego tworzywa, które znaną powszechnie twardość uzyskuje poprzez odpowiednie wiązania wapnia. Dzięki temu np. jedna z ważek – łątka – waży tylko jedną czterdziestą część grama.

 

Technika lotu

Ważki posiadają w porównaniu do innych owadów zupełnie inną technikę lotu. Otóż większość owadów lata według zasady „garnka do gotowania”. To tak jakby przykryć garnek mniejszą przykrywką, pod którą wkładamy dwie duże łyżki. Przyciskając pokrywkę do środka – łyżki unoszą się, podnosząc pokrywkę – łyżki opadają. U większości owadów działają jedynie siły wytworzone w obrębie tułowia pomiędzy „dnem” garnka a jego „pokrywką”. U ważek jednak aparat lotu pracuje na innej zasadzie: Mocne mięśnie lotne poprzez ścięgna działają bezpośrednio na stawy lotne. Stawy te zbudowane są z resilinu – materiału o szczególnych właściwościach mechanicznych. Jak żaden inny materiał jest on bardzo elastyczny potrafiąc jednocześnie gromadzić dużą ilość energii, by ją potem, w odpowiedniej chwili, wyzwolić. To tak jakby zgnieść plastykową butelkę, która natychmiast po zgnieceniu wraca do poprzedniego kształtu. Resilin razem ze skrzydłami stanowi taki system ruchu, który pracuje z określoną częstotliwością.

 

Dzięki tak wyrafinowanej konstrukcji, ważki są optymalnie przygotowane do poruszania się w powietrzu. Wyróżniono wiele różnych rodzajów lotów praktykowanych przez ważki, np. zwyczajny, za zdobyczą, w rejonie, odstraszający, tokowy, wahadłowy, falisty, w miejscu i wiele różnych rodzajów lotów do tyłu. Siłę ciągu zapewniają – podobnie jak w naszych helikopterach cztery ustawne płaty rotora – cztery skrzydła wytwarzające jednocześnie napęd do przodu i siłę wznoszenia. Konstrukcja skrzydeł to kolejny majstersztyk: cztery skrzydła przeciętnej ważki ważą razem tylko pięć tysięcznych grama. Te cieniutkie, u przeważającej większości gatunków przezroczyste powierzchnie nośne stanowią mistrzowskie osiągnięcie w dziedzinie budowy konstrukcji lekkich. Gdyby wyobrazić sobie skrzydła ważki jako dużą powierzchnię, wówczas jeden metr kwadratowy takiej powierzchni ważyć będzie zaledwie trzy gramy. Folie z tworzywa sztucznego, takiego jak poliamid czy poliester o takiej samej grubości, ważą dwa do trzech razy więcej.

 

Skrzydła ważek to szkłopodobne membrany specjalnie wzmocnione silnie rozgałęzionymi żyłkami – strukturami, które konstruktorzy samolotów nazwaliby dźwigarami. Średnica tych rurek wynosi zaledwie jedną dziesiątą milimetra, a grubość ich ścianek tylko jedną setną milimetra. Duże żyłki podłużne służą jako wzmocnienie poprzeczne, natomiast liczne, krótkie żyłki małe, jak również wyraźnie zaznaczone znamię (pterostigma), jako wzmocnienie podłużne. Rurki te nie tylko usztywniają błony skrzydeł. Wewnątrz mieszczą się naczynia, w których płynie krew, przewód nerwowy, którym przekazywane są informacje oraz przewody, którymi przechodzą: tlen – jednym, innym zaś dwutlenek węgla. Wzór na skrzydłach u różnych gatunków jest różny (co pozwala z różnych porządków podłużnych i poprzecznych żyłek na skrzydłach precyzyjnie ustalić gatunek ważki), co świadczy o nieco innych zasadach zastosowanego projektu: w jednym przypadku konieczną wytrzymałość gwarantują nieregularne wielokąty, innym razem regularne czworokąty. Ważki z dużą częstotliwością uderzeń skrzydeł, jak np. żagnica (30 uderzeń na sekundę), mają w skrzydłach bardzo gęsto rozmieszczone wzmocnienia. Zaś gatunkom charakteryzującym się małą częstotliwością uderzeń skrzydłami wystarczają proste, ale za to bardzo precyzyjne siatki wykonane z kwadratów. Przykładem tego rozwiązania jest Mecistogaster lucretia ze swoimi długimi, wąskimi skrzydłami, którymi uderza 15 razy na sekundę. Ta membranowo-komórkowa konstrukcja skrzydła czyni je niesłychanie lekkimi i jednocześnie bardzo stabilnymi.

  

Skrzydła ważki posiadają charakterystyczne zgrubienie w pobliżu końców skrzydeł. Jest to tzw. wzmocniona komora brzegowa. Jej znaczenie udało się ustalić dopiero niedawno. Pełni ona bardzo ważną funkcję aerodynamiczną: jako element niewyważony eliminuje wibracje skrzydeł w czasie lotu ślizgowego lub trzepoczącego. W świetle powyższego nie dziwi, że np. husarz (Anax imperator) potrafi latać z szybkością 100 kilometrów na godzinę.

 

Ważki manewrując w czasie lotu posługują się szczególną techniką, która również różni je od innych owadów. W ułamku sekundy, przed zamierzonym zakrętem, skręcają swoje ciało wzdłuż jego osi podłużnej; patrząc z przodu tułów i odwłok nie leżą w jednej linii – ustawione są ukośnie. Wewnętrzne skrzydła otrzymują wtedy inny kąt ustawienia i w ten sposób możliwy jest zakręt. Inne owady – szczególnie chrząszcze – wykorzystują inną zasadę: skrzydła po wewnętrznej stronie zakrętu wychylają się w czasie uderzeń o mniejszy kąt niż skrzydła zewnętrzne. Przy tej samej częstotliwości zmniejsza to siłę ciągu po tej stronie i tak wykonują zamierzony zakręt.

 

Optymalna konstrukcja ważek do poruszania się w powietrzu przejawia się także w proporcjach ich wielkości i wagi. Inżynierowie lotnictwa, opisując ciało w locie, posługują się tzw. liczbą Reynoldsa. Liczba ta mówi, jak na prędkość i wielkość latającego ciała oddziaływuje wpływ lepkości otaczającego powietrza. Dla dużego ptaka ta właściwość powietrza nie odgrywa prawie żadnej roli, dla owadów jednak tak. Lepkość powietrza jest dla małych owadów tak istotna, że właściwie w ich przypadku trzeba mówić o pływaniu w „gęstym” powietrzu, a nie o locie. Z powodu małej liczby Reynoldsa muszą one, w porównaniu z dużymi owadami, uderzać skrzydłami o wiele częściej, by uzyskać ciąg do przodu. Ważki natomiast leżą w bardzo korzystnym przedziale tych liczb. Z wielką łatwością osiągają one szybkość rzędu 40 kilometrów na godzinę, bez potrzeby stałego poruszania skrzydłami. Nawet w czasie powolnego lotu uzyskują jeszcze w opływającym ich strumieniu powietrza potrzebną siłę wyporu.