蚊子为什么不会被雨滴砸死?

蚊子为什么不会被雨滴砸死?

这个问题早在2012年,亚特兰大佐治亚理工学院的一个工程师和生物学家团队就已经对此做过实验了。

当时他们就得出了结论,蚊子之所以没有被雨滴砸死,是因为其质量太小。

而他们之所以研究蚊子为什么没有被雨滴砸死,居然是为了提高飞行器在雨天驾驶的能力。

他们使用实时视频和复杂的数学相结合,来证明这种轻型昆虫的坚固结构使蚊子能够摆脱即使是最大的雨滴。

以下是科学家们当时拍摄的视频,里面有详细的解答,是英文的。

这些发现对控制害虫几乎没有帮助,但可以帮助工程师改进微型飞行机器人的设计。

航空工程师非常了解雨水如何影响飞机的飞行。

大雨会增加阻力,降低升力,并增加失速的风险。

但是关于水对飞行动物的影响的研究很少。

由柏林莱布尼茨动物园和野生动物研究所的生物学家克里斯蒂安·沃伊特领导的一项关于蝙蝠的研究发现, 与干燥条件相比,这些毛茸茸的飞行者在雨中需要大约两倍的能量来提供动力。

尽管如此,尽管 一些研究人员已经研究了各种条件下昆虫飞行的动力学,但科学家们对雨水的影响知之甚少。

为了帮助填补这一知识空白,佐治亚理工学院的机械工程师 David Hu 和他的同事决定将按蚊(一种感染疟疾的主要昆虫)置于人工降雨条件下。

胡的团队已经因其对水与动物相互作用的研究而闻名, 包括湿狗如何通过甩掉水来擦干自己的物理学。

该团队建造了所谓的“飞行​​竞技场”,这是一个 20 厘米高的丙烯酸笼子,上面覆盖着网状顶部,可以让水进入,但防止蚊子逃跑。

在第一轮实验中,研究人员将水射流射入笼子,以模拟雨滴落下 10 米,达到最大速度的高度。

然后用每秒捕获 4000 帧的高速摄像机拍摄放在笼子里的六只蚊子。

这就像一场昆虫弹球游戏。

所有六只蚊子都能从跌落冲击中恢复,而不会撞到笼子底部。

在一个典型的例子中,一只被水滴击中的蚊子翻滚了 13 倍体长的距离,然后从水滴中分离出来并横向飞到场地的一侧。

为了更好地描绘正在发生的事情,该团队让 20 只蚊子滴下落得更慢的水滴。

视频显示,大多数碰撞都是对翅膀和腿的扫视,而不是昆虫的身体。

撞击导致蚊子俯仰、偏航或滚动,具体取决于它们被击中的位置。

但即使蚊子受到直接打击,它们在下降不超过20个身体长度后仍然恢复。

胡和他的同事们假设,由于昆虫的质量很小——大约 2 毫克,而雨滴可以高达 100 毫克——雨滴在遇到蚊子时失去的速度和动量非常小,因此对它。

为了验证这一假设,该团队构建了由与蚊子重量和大小相同的小聚苯乙烯泡沫塑料球制成的昆虫“模拟物”。

当研究人员将球体释放到竞技场中时,它们会暂时悬浮在半空中,因为水滴从上方与它们碰撞。

实验表明,水滴的重量在模拟物重量的 1 到 300 倍之间,在撞击时仅减慢 2% 到 17%。

研究小组得出结论, 雨滴变形并在很大程度上绕过了小得多的蚊子身体。

胡和他的合著者发表在《美国国家科学院院刊》上的报告中指出,这种令人惊讶的效果不仅是由于蚊子的轻盈,而且还归功于它的外骨骼,即坚硬的外壳,保护它的内脏。

为了证实他们的发现,研究小组对蚊子进行了最后一次压力测试,压缩昆虫的身体以揭示它们实际能够承受的力。

该团队计算出雨滴的影响在 200 到 600 达因之间,这是施加力的标准测量值。

蚊子在经受了大约 3000 到 4000 达因的压缩,数倍于雨滴的冲击后,一旦释放,蚊子仍然能够飞行。

加州大学伯克利分校昆虫飞行专家罗伯特·达德利说,该论文“令人信服地表明,蚊子能够存活并机械地补偿相对较大的水滴的单一冲击,这主要是因为它们的质量低以及它们灵活的……外骨骼。”

Voigt 补充说,这项研究对我们了解飞行动物在各种天气条件下的表现是一个“奇妙的贡献”。

Voigt 说他“真的像蚊子一样被昆虫所承受的非常高的 G 力(高达 300 倍的重力)击中”,这是“有记录以来动物幸存下来的最高加速度”。(人类只能承受大约 25 G。)

胡说,他的团队的研究结果可能对所谓的微型飞行器 (MAV) 的设计产生影响,其中一些像蜻蜓一样小,越来越多地被军方用于战区监视和搜索和-救援行动。

然而,Voigt 持怀疑态度。

“我们距离创造出蚊子大小的空中机器人还很遥远,”他说,“我不确定这些发现是否可以纳入”卓越的 MAV 设计中。

“我们距离创造出蚊子大小的空中机器人还很遥远,”他说,“我不确定这些发现是否可以纳入”卓越的 MAV 设计中。

参考资料:

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