Каким воздухом «ощущается» летающий комар с точки зрения вязкости?

Если я иду гулять со скоростью, скажем, 4 км/час, если только не дует ветерок, я, вероятно, вообще не замечу воздуха вокруг себя. Однако, если я пойду плавать, я сразу замечу вязкость воды и усилия, необходимые для движения по ней.

Интересно, можно ли в таком масштабе оценить, как обычный неподвижный воздух относится к вязкости комару или другому насекомому аналогичного размера, используя стандартные методы гидродинамики?

Я не хочу задавать вопросы, основанные на биологии, или о том, как на самом деле летают насекомые, которые можно найти на сайте Insect Flight . Эта статья подразумевает, что полет насекомых все еще является предметом активных исследований.

Диапазон числа Рейнольдса при полете насекомых составляет от 10 до 10 4 , что лежит между двумя удобными для теорий пределами: невязкими стационарными течениями вокруг аэродинамического профиля и стоксовым течением, которое испытывает плавающая бактерия. По этой причине этот промежуточный диапазон изучен недостаточно.

Вместо этого я задаюсь вопросом, знаем ли мы, по сравнению с человеческим опытом в отношении разницы в вязкости жидкости между неподвижным воздухом и водой, как воздух «ощущается» для движения насекомого, такого как комар?

Другими словами, возможно ли масштабировать «опыт» полета насекомого до человеческого уровня и получить представление о том, каков человеческий эквивалент вовлеченной вязкости? Я понимаю, что может быть невозможно ответить на этот вопрос, не обращаясь к динамике полета насекомых, и в этом случае приношу свои извинения, поскольку в настоящее время ответа может не быть.

Если у вас размер 1 м и скорость 1 м/с, вы ищете среду с кинематической вязкостью 0,01-0,1 м^2/с, чтобы получить эти числа Рейнольдса. Подойдет самая густая патока.
@ChrisWhite, тогда, наивно говоря, поскольку насекомые летают, мне остается только гадать, откуда берется энергия, чтобы насекомое пролетало через эту эквивалентно плотную среду (хорошо, для комара это моя кровь). Это, imo, затем восходит к их эффективному использованию вихрей и аэродинамических методов, с которыми мы пока не можем сравниться.
Дело не в аэродинамических технологиях — реактивные самолеты — это инженерное достижение, не имеющее себе равных в природе. Это о масштабе. Летать действительно становится легче, когда вы становитесь меньше. Помните, что пылинка может легко перелететь целые океаны, и она вообще не питается.
@ChrisWhite: Комар летает со скоростью около 0,5 м/с, что во много (примерно в 50?) раз превышает длину его тела в секунду. Не означает ли это, что нам придется вычислять вязкость, чтобы получить число Рейнольдса для человека, летящего, например, со скоростью 100 м/с?
Один из способов сравнить их опыт с нашим — представить себе ветер, против которого они не могут летать. Может ветер 1 м/с. Для человека скорость ветра, против которой мы не можем двигаться, вероятно, на порядок выше. Поэтому, когда они чувствуют легкий ветерок, это похоже на ураган!
Это хорошая аналогия, Алекс, мне нужно больше читать, и я не хочу уходить от темы о технике полета жуков, но я думаю, что это больше, чем масштаб, как Крис сказал выше, потому что этот комар определенно может меня найти, независимо от того, где я нахожусь в комнате. Но мне нужно больше читать и, конечно, правильно понять его точку зрения.
@AcidJazz, вам следует проверить некоторые безразмерные константы в механике жидкости, которые являются свойствами потока жидкости, не зависящими от масштаба (шкала длины, шкала времени и т. Д.). В частности, здесь должны иметь значение числа Галилея, Рейнольдса и Стокса. Если мы найдем эти числа для мухи в обычном воздухе (нормальное давление/температура, земное притяжение и т. д.), мы можем работать в обратном направлении, подключить человеческую шкалу и выяснить, какие вязкости и т. д. дают те же числа, которые должны дать «эквивалентная» ситуация.
Комары @AcidJazz живут на сахаре, в основном из нектара растений. Самки питаются кровью, потому что им нужны белки для производства яиц, поэтому энергия поступает из растительных сахаров. (источник: Википедия о Москито)
@Mindwin И это объясняет источник энергии для полета лучше, чем мое представление о крови, большое спасибо. Меня кусают только по праздникам, но когда слышу этот кайф, пленных не беру :)
Вы также можете рассмотреть сказочную осу: blogs.discovermagazine.com/notrocketscience/2011/11/30/…
@Mindwin Ну, я живу на этой планете 51 год и не знал этого. Наиболее интересно.
@MichaelT Мне пришлось немного поискать, чтобы убедиться, что это не розыгрыш. Умопомрачительные вещи.
@AcidJazz Я благодарю изобретателя этих электрических теннисных ракеток каждую весну. Ощущение себя охотником, а не вкусным беззащитным мешком с мясом, ни с чем не сравнимо.

Ответы (5)

Что вам нужно сравнивать, когда вы смотрите на тела разных размеров и спрашиваете, как соотносятся силы, так это число Рейнольдса, которое вы включили в свой вопрос. Это определяется как:

р е знак равно ты л ν

куда ты скорость жидкости, л является репрезентативной шкалой длины и ν кинематическая вязкость жидкости. Это также можно рассматривать как отношение сил инерции к силам вязкости. Так, когда это число мало, преобладают вязкие силы, а когда оно велико, преобладают силы инерции.

Самое сложное это подобрать л . Хотя в данном случае все не так уж и плохо. Предположим, что комар примерно шар. Взрослые особи редко превышают 16 мм в длину, поэтому давайте приблизимся и скажем, что они имеют длину 10 мм, так что в качестве сферы они будут иметь радиус 5 мм. Возьмем обычный день при стандартной температуре и давлении (СТД), так что кинематическая вязкость воздуха равна ν знак равно 15.11 е − 6 . И допустим легкий ветерок, скажем, 5 м/с. Это дает нам число Рейнольдса (которое, эй, также соответствует диапазону, который вы опубликовали - хорошее начало!):

р е знак равно ты л ν знак равно 5 × 0,005 15.11 е − 6 ≈ 1655

Итак, теперь, если мы хотим, чтобы человек чувствовал такое же отношение силы инерции к вязкости, мы хотим сохранить число Рейнольдса таким же. Мы можем представить, что человек — это цилиндр. И мы можем далее сказать, что средний человек имеет ширину примерно 0,4 метра, что дает радиус 0,2 метра. Мы предположим, что число Рейнольдса такое же, а вязкость воздуха одинакова, и найдем скорость ветра, чтобы получить похожее ощущение:

ты знак равно ν р е л знак равно 15.11 е − 6 × 1655 0,2 ≈ 0,12 м / с

Может быть, это и нелогично, но здесь мы рассматриваем, какие скорости необходимы, чтобы почувствовать такое же соотношение сил инерции и вязкости.

В этом случае мы изменили скорость ветра, но мы также могли изменить вязкость. Если бы мы хотели сделать это, скажем, мы сохранили бы скорость одинаковой, мы бы получили:

ν знак равно ты л р е знак равно 5 × 0,2 1655 ≈ 0,0006 м 2 / с

Это число почти в 40 раз превышает вязкость воздуха. Это означает, что для того, чтобы человек почувствовал эквивалентный набор сил, он должен находиться в потоке чего-то вроде горячего асфальта, трансмиссионного масла SAE 150 или дизельного топлива со скоростью 5 м/с . Ничего из этого не звучит очень приятно, но, честно говоря, и не летает как комар.

Большое спасибо за ваше время и детали, связанные с ответом. Вопрос возник у меня, потому что я выбросил паука из окна наверху, и обеспокоенная племянница спросила меня, выживет ли он? Я сказал да.
@AcidJazz Основываясь на математике, это, вероятно, будет сопоставимо (хотя, если вы включите гравитацию и плавучесть, другие безразмерные числа станут важными, такими как число Фруда, как и конечная скорость, которая, вероятно, будет намного выше для человека, чем для паука ) человеку, прыгающему в смоляную яму. Осенью, наверное, будет нормально. Хотя у прыжка в смоляную яму есть и другие проблемы...
Я не уверен, что означают эти цифры. Вот предположение: 0,12 м / с это количество ветра, которое насекомое будет ощущать подобно 5 м / с ветер на человека? И трансмиссионное масло SAE 150 при 5 м / с вязкость, необходимая для того, чтобы на человеке ощущалось то же, что и 5 м / с ветер на насекомом?
@Yakk Результат скорости наверняка нелогичен. Это говорит о том, что 0,12 м / с на человека создает такое же отношение сил инерции к силам вязкости, как 5 м / с делает на ошибке. Ваше понимание второго случая правильное, однако - это займет поток 5 м / с Трансмиссионное масло SAE 150 по ощущениям на человеке такое же, как на 5 м / с поток воздуха делает на жучок. Причина, по которой первое противоречит здравому смыслу, заключается в том, что мы смотрим на соотношение сил, и силы вязкости на человеке будут намного больше, чем на насекомом, просто из-за изменения площади поверхности.
Хм. Что такое сила инерции в этом контексте? Сила, необходимая для ускорения вашей конечности до определенной скорости за определенное время в вакууме? Тогда «отношение сил инерции к вязким силам» будет отношением к силе, необходимой для того, чтобы сделать то же самое с этим ветром? Казалось бы, там будут неустранимые степени свободы. ... в принципе, я не могу связать ваши отношения с чем-то конкретным, и без этого я не вижу, как определить, правдоподобны ли они, или мне следует ожидать скрытую математическую ошибку.
@Yakk Посмотрите эти вопросы и ответы , чтобы узнать, проясняет ли это ситуацию. Рассмотрим это так: давление на тело равно р ты А . Придерживаясь идеи цилиндров для тел, и поскольку воздух имеет то же самое р , мы видим, что для одинакового давления на тело нам нужно ты час ты м а н А час ты м а н знак равно ты б ты грамм А б ты грамм , что, используя имеющиеся у нас числа и предполагая 2D ради аргумента, означает ты час ты м а н знак равно 0,003125 м / с для создания той же силы давления. Re также можно рассматривать как силу давления над силой сдвига.
Поэтому имеет смысл, что скорость человеческого тела будет и должна быть меньше, когда мы пытаемся сохранить отношение инерционных сил (или давлений) к силам вязкости (или сдвигу) одинаковым.

Вязкость воздуха будет одинаковой как для мухи, так и для человека. В случае с мухами, с точки зрения мухи, ей кажется, что сила вязкости очень велика, поскольку она удерживает муху на плаву. В случае человека такими вязкими силами можно пренебречь. Поэтому мы этого не замечаем. Если вы хотите масштабировать «опыт» полета насекомого до человеческого уровня, подумайте о ситуации, в которой сила ветра способна поднять вас в небо (или, скорее, просто удержать вас на плаву в воздухе). Что происходит, так это то, что сила сопротивления воздуха, действующая против движения тела вниз, равна весу тела и удерживает вас на плаву с чистой силой на теле, равной нулю.

Вот почему, если вы позволите маленькому насекомому упасть с высоты, вы заметите, что оно не ускоряется в направлении вниз. Сопротивление воздуха (или сопротивление) компенсирует небольшой вес насекомого, и оно падает с постоянной скоростью.

Такой опыт для человека возможен только тогда, когда аэродинамическое сопротивление способно создать силу в 60 кгс (или любой другой вес). Это невозможно на Земле. Таким образом, вы получаете похожий (но не точно такой же) опыт с ветром, тянущим вас вверх.

Для лучшего опыта вы можете поместить себя в какую-то жидкую среду с довольно высокой плотностью, чем у воздуха, но меньшей, чем плотность вашего тела (не вода, поскольку ее плотность выше, чем у вашего тела).

То есть вы говорите, что сравнимый опыт — это очень сильный ветер? Я не уверен, что понимаю, что вы пытаетесь сказать здесь. Как насчет случая, когда нет ветра и воздух совершенно неподвижен?
@ Ajedi32 Ajedi32 Что вы имеете в виду, «Воздух совершенно неподвижен» - однако газы работают не так.
@corsiKa Под «полностью тихо» я имею в виду отсутствие ветра. Очевидно, я не говорю, что оно не движется в ответ на движения самого насекомого или что оно вообще не движется на молекулярном уровне. Шубхам упомянул ситуацию, когда «сила ветра способна поднять вас в небо», поэтому я спрашиваю, что происходит, когда ветра нет вообще.
@ Ajedi32, что corsiKa пытается сказать комару, воздух никогда не бывает полностью неподвижным. Кое-где есть течения, которые для комара можно считать ветром. Грузовик или автобус, движущийся по улице, открывающаяся или закрывающаяся дверь внутри дома, дует кондиционер, все эти мельчайшие вещи перемещают воздух в количестве, которое воздействует на комара, но для человека кажется неподвижным воздухом. PS: также везде есть конвекционные потоки между горячими и холодными воздушными карманами.
Ах, значит, с точки зрения мухи отличается не вязкость, а плотность? Похоже, вы имеете в виду гораздо большее отношение поверхности к объему, которым изначально обладают маленькие существа, такие как мухи.

Ваша мысль о чувстве вязкости воды кажется правильной, с небольшой поправкой на то, что насекомым легче летать, чем людям плавать.

Одно из соображений, однако, касается конечностей существа и их способности влиять на личное положение: ноги и антенны насекомых могут чувствовать меньшее реологическое сопротивление и сопротивление в воздухе, чем наши в воде, но их крылья вызывают интенсивные изменения личного положения, как и наши ноги. против земли. Насекомые будут чувствовать себя «более крутящими» или более быстрыми, потому что у них гораздо меньше массы.

Просто представьте, что вы уменьшились до размеров насекомого. Воздух будет «чувствовать» то же самое, но из-за вашей массы и из-за того, что у вас нет специальных органов для захвата поверхностей, вы будете чувствовать, что вас постоянно бросает ветром на уровне торнадо, вызванным взмахом руки человека обычного размера. Насекомые специально созданы для того, чтобы справляться с этими частыми порывами ветра, поэтому для них это нормально, но для человека это будет похоже на постоянный шквал ураганов.

Вязкость воздуха недостаточна для того, чтобы его заметил движущийся комар. Но для его крыльев важна вязкость воздуха не из-за их размера, а из-за скорости.

Каким воздухом «ощущается» летающий комар с точки зрения вязкости?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v