حل لغز طيران الحشرات

حل لغز طيران الحشرات^(*)

تستخدم الحشرات مجموعة من التأثيرات

الديناميكية الهوائية لتبقى محلقة.

<M. ديكنسون>

 

في صهريج سعته طنّان من الزيت المعدني يخفق زوج من الأجنحة الميكانيكية (الآلية) جيئة وذهابا ليُكمل بتأنٍّ كل دورة له في خمس ثوان. ويعمل هذان الجناحان، اللذان تحركهما ستة محركات يضبطها حاسوب، على إبقاء السائل في حالةٍ دوّامة يَكشف عنها ملايين فقاعات الهواء المغمورة في السائل. (وللتمثيل، يشبه هذا الصهريج كوبًا عملاقًا من الجعة، ولكنه كوب تمخر فيه ذبابة ميكانيكية يبلغ طول باعها⁽¹⁾ 600 سنتيمترا). وينير المشهد حزمٌ وامضة من ضوء الليزر الأخضر، وتسجل كاميرات فيديو متخصصة مسارات الفقاعات المتلألئة المضطربة. وكذلك تسجل محسّات sensors مركبة على الجناحين القوى  التي يؤثر بها السائلُ فيهما في كل لحظة.

 

أنشأت مجموعتي البحثية هذه التركيبة الغريبة من المعدات المتخصصة للمساعدة على إيضاح فيزيائيةِ واحدةٍ من أكثر الوقائع شيوعا ـ ألا وهي حَوَمان ذبابة الفاكهة الضئيلة. إن هذه الذبابة لا تعلم شيئا عن ديناميكيات الهواء المسبِّبة للدوامة vortex ولا عن الانهيار المؤجل⁽²⁾ delayed stall ولا عن الجوَلان الدوراني rotational circulation واستحواذ المَخْر⁽³⁾ wake capture. فهي لا تعدو أن توظف النتائج العملية لهذه الظواهر 200 مرة في الثانية حينما تخفق أجنحتها جيئة وذهابا. يقلِّد الشبيه الميكانيكي للذبابة، والمسمى «الذبابة الإنسالية»⁽⁴⁾ (الروبوتية) robofly، الحركة الخفقانية للذبابة الحقيقية، ولكن بسرعة تقل ألف مرة وبحجم أكبر مئة مرة. وأدى اندهاشنا من سرعة الذبابة الحقيقية وصغر حجمها، إلى أن أعلق وزملائي آمالنا على الذبابة الإنسالية لفهم الديناميكيات الهوائية المعقدة التي تسمح للحشرات بأن تفعل ما تفعله بشكل روتيني ـ أي: كيف تستطيع الطيران.

 

إن الحشرات هي الحيوانات السائدة في كوكبنا، إذا ما قيست بالعدد المطلق لأنواعها أو تأثيرها البيئي أو مجموع كتلتها الحية biomass. ومع أن عددا كبيرا من العوامل أسهم في نجاحها المنقطع النظير، فإن قدرتها على الطيران تحتل المرتبة العليا في قائمة هذه العوامل؛ إذ يمكّن الطيران الحشرات من الانتشار بعيدا عن مكان ولادتها، ومن البحث عن الغذاء عبر مسافات كبيرة، ومن الهجرة إلى أقاليم أكثر دفئا مع تغير الفصول. ولكن الطيران ليس مجرد وسيلة للتنقل، فالعديد من الحشرات تستخدم بهلوانيات طيرانية acrobatics لصيد فريستها أو للدفاع عن الحِمى أو لكسب أقران للتزاوج. إن الانتقاء الذي يستهدف أكثر أساليب الطيران إتقانًا وكفاءة قد دفع بتصميم هذه الكائنات الحية إلى أبعد مدى. فنجد في الحشرات أقوى الأنوف حساسية وأسرع أجهزة للإبصار وأقوى العضلات ـ إذ ترتبط جميع هذه الصفات المتخصصة بطريقة أو بأخرى بسلوك الطيران. ولكن حتى عهد قريب، أعاقت ثغرة مربكة فهمنا لطيران الحشرات: فقد واجه العلماء صعوبة كبيرة في تفسير الديناميكيات الهوائية للكيفية التي تولد بها الحشرات القوى اللازمة لبقائها محلِّقة في الأعالي.

 

لقد تحولت هذه الصعوبة إلى حكاية شعبية تُروى عن العلم، من أن «أحد العلماء “أثبت” أن النحلة الطنانة لا تستطيع الطيران»، وغالبا ما ذُكرت هذه المقولة كمثال إيحائي للوقوف في وجه المسلمات المتسلطة. تعود قصة النحلة الطنانة إلى كتاب صدر عام 1934 لعالم الحشرات <A. مانيان> الذي أشار فيه إلى حسابات قام بها مساعده المهندس <A. سينت ـ لاگ>. ومن المفترض أن هذا الاستنتاج قد بُنيَ على الحقيقة المعروفة وهي أن أقصى رفع lift يمكن أن تولِّده أجنحة طائرة صغيرة بحجم أجنحة النحلة الطنانة وتتحرك ببطء يوازي بطء طيران هذه النحلة، إنما يكون أقل بكثير من وزن نحلة واحدة.

 

منذ عام 1934 جمع المهندسون والرياضياتيون كمّا وافرًا من أمثلةٍ نظريةٍ للديناميكيات الهوائية يكفي لتصميم طائرات البوينگ 747 ومقاتلات الشبح. ومهما كان تعقيد هذه الطائرات، فإن تصاميمها ووظائفها بنيت على مبادئ الحالة المستقرة steady-state principles؛ بمعنى أن تدفق الهواء حول أجنحتها والقوى المتولدة الناتجة من هذا التدفق تبقى ثابتة مع الزمن. أما السبب في كون الحشرات تمثل مثل هذا التحدي فيكمن في أن أجنحتها تخفق flaps وتدورrotate ما بين 20 إلى 600 مرة في الثانية. ويخلق نموذج التدفق الهوائي هذا قوى ديناميكية هوائية تتغير باستمرار وتربك كلا التحليلين الرياضياتي والتجريبي.

 

يتم في مركز الإلكترونيات الميكانيكية الذكية التابع لكلية فاندربلت الهندسية تطوير نموذج أولي لحشرة إنسالية (روبوتية) تطير. وستعتمد مثل هذه الأجهزة على الديناميكيات الهوائية المتوافقة مع الحشرات أكثر من توافقها مع الطائرات التقليدية.

 

وإضافة إلى حل أحجية علمية قديمة، فإن فهم كيفية طيران الحشرات قد يكون له تطبيقات عملية. وحديثا بدأ المهندسون يستكشفون إمكانية إنشاء إنساليات (روبوتات) طائرة بحجم الإبهام من أجل تطبيقات متعددة مثل البحث والإغاثة والرصد البيئي والمراقبة والكشف عن الألغام واستكشاف الكواكب. وعلى الرغم من أن البشر قد نجحوا في إنشاء نموذج لطائرة صغيرة بحجم عصفور، فلم يقم أحد بعد ببناء طائرة بحجم الذبابة قادرة على الطيران. إن لِلِزُوجة الهواء أهمية كبيرة في مثل هذه الأحجام الصغيرة، لكونها تخمد أنواع التدفقات الهوائية التي تُبقي الطائرات الكبيرة محلقة عاليا. ولا ينجم خفقان أجنحة الحشرات من كون هذه الحيوانات لم تطور دواليب وتروسًا وعنفات (تُرْبينات) فحسب، بل لأن أبعادها الليليپوتية⁽⁵⁾ Lilliputian  تتطلب استخدام آليات مختلفة من الديناميكيات الهوائية. وقد تدين الحشرات الإنسالية المستقبلية برشاقتها الديناميكية الهوائية إلى نظائرها في العالم الطبيعي.

 

غموض الأجنحة⁽⁶⁾

من الواضح للمشاهد العادي أن الحشرة الحوامة لا تطير مثل الطائرات، إذ إن جناحيها يبدوان كلطختين غير واضحتي المعالم. وما هو أقل وضوحا من ذلك تعقيد حركة الخفقان. فأجنحة الحشرة لا تتذبذب نحو الأعلى والأسفل وكأنها مجرد مجاديف تتحرك على مِفْصلات بسيطة، بل عوضا عن ذلك يتخذ طرف كل جناح شكلاً بيضويا ضيقا مائلاً بزاوية حادة. يضاف إلى ذلك، أن الأجنحة تغير توجهها أثناء كل خفقة؛ إذ يواجه السطح العلوي الجهة الفوقانية أثناء شوط الهبوط downstroke، ثم يدور الجناح حول محوره، بحيث يصبح السطح السفلي متجها نحو الأعلى أثناء شوط الصعود upstroke.

 

حاولت التحليلات الأولى لطيران الحشرات أن تُطَبِّق على هذه الحركات المعقدة مبادئ الديناميكيات الهوائية المتعارفة للحالة المستقرة steady state  (الأمر  الذي يصلح لأجنحة الطائرات). ومثل هذه المحاولات ليست بمستوى سذاجة حسابات النحلة الطنانة السيئة الذكر، لأنها تأخذ بالحسبان تغير سرعة الأجنحة أثناء خفقانها في الهواء. تصور لو توقف جناح الحشرة في موضع معين أثناء دورة الشوط، وبعد ذلك تم اختباره في نفق ريحي wind tunnel، سرعة الريح فيه وكذلك توجه الجناح يحاكيان حركة الجناح تماما كما لو كان في الهواء في تلك اللحظة. وبهذه الطريقة يستطيع المرء قياس القوة الديناميكية الهوائية المؤثرة في الجناح في كل لحظة.

 

ولو كانت نظرية الحالة المستقرة هذه كافية، لوجب أن تكون القوة المتوسطة ـ المحسوبة عن طريق جمع كافة القوى الناتجة من جميع أوضاع الجناح أثناء الشوط ـ متجهة نحو الأعلى وأن تكون مساوية لوزن الحشرة. وحتى في أواخر السبعينات من القرن الماضي اختلف المختصون حول استطاعة مثل هذا التحليل تفسير كيفية بقاء الحشرات محلقة في الأعالي. وفي أوائل الثمانينات راجع <Ch. إلينگتون> [من جامعة كمبردج] جميع الأدلة المتاحة بشكل دقيق، واستنتج أن مقاربة الحالة المستقرة لا تعلل القوى المطلوبة. وانطلق البحث بقوة متجددة عن آليات ديناميكية «للتدفق غير الثابت» unsteady flow تستطيع  تفسير الأداء المحسن للأجنحة الخفاقة.

 

تتحكم في توزيع السرعات والضغوط داخل سائل ما معادلات نَفيير-ستوكس Navier-Stockes equations التي صيغت في أوائل القرن التاسع عشر. (ولهدف تحليل الديناميكيات الهوائية، اعتبر الهواء سائلا ذا كثافة منخفضة جدا). وإذا استطعنا حل هذه المعادلات فيما يخص جناح الحشرة الخافق، فإننا سنستطيع توصيف الديناميكيات الهوائية لطيران الحشرات. ولسوء الحظ، إن الحركة المعقدة للجناح تجعل محاكاة هذه المشكلة أمرًا بالغ الصعوبة حتى باستخدام أقوى الحواسيب.

 

صورة ذبابة إنسالية تخفق ببطء في زيت معدني لزج على نحو يحاكي الديناميكيات الهوائية التي تخفق بها أجنحة ذبابة الفاكهة بسرعة في الهواء. وتنير أشعة ليزرية فقاعات الهواء في الزيت لتكشف التدفقات المعقّدة المتولِّدة، كما تسجل محسات متوضعة على الأجنحة القوى المتولدة.

 

وإذا لم نستطع حل هذه المشكلة بالنظرية البحتة والحسابات، فهل نستطيع عوضا عن ذلك أن نقيس بشكل مباشر القوى التي يولِّدها جناح حشرة يخفق؟ قامت بضع مجموعات بحثية بجهود جبارة ولّدت الكثير من المعلومات، وهي تعمل حاليا على تطوير مقاربات جديدة مبدعة، ولكن ضآلة حجم أجنحة الحشرة وكبر سرعتها تجعل قياسات القوى أمرا صعبا.

 

وللتغلب على هذه القيود، كثيرا ما يستخدم البيولوجيون المعنيون بدراسة حركة الحيوانات نماذج مصغرة. وهو الأسلوب نفسه الذي يستخدمه المهندسون في تصميم الطائرات والزوارق والسيارات، إذ يقوم المهندسون بتصغير حجم نماذج المَرْكبات، في حين يقوم الباحثون في طيران الحشرات بتكبير النماذج وتقليل سرعة أجنحتها إلى حجم وسرعة يمكن التعامل معهما. وتعطي مثل هذه النماذج نتائج ديناميكية هوائية ذات مغزى، شريطة أن تتوافق مع شرط أساسي بالنسبة إلى القوتين اللتين تواجهان الجسم في السائل: قوة الضغط الناتجة من عطالة inertia السائل وقوة القص shear force التي تحدثها لزوجة السائل. إن قوة العطالة في جوهرها هي القوة المطلوبة لدفع كتلة السائل، وتكون أكبر كلما زادت كثافة السائل. أما اللزوجة فهي أشبه ما تكون بالاحتكاكfriction وتنتج حينما تتحرك منطقتان متجاورتان في السائل بسرعات مختلفة، وهي ما يجعل الدبس molasses صعب التحريك. ونشير هنا إلى المبادئ الفيزيائية الأساسية، التي تعمل في حالة الحيوانات الحقيقية وفي حالة نماذج الحيوانات، تبقى هي ذاتها مادامتا تتمتعان بالنسبة ذاتها بين قوى العطالة وقوى اللزوجة، وهي ما يطلق عليه اسم رقم رينولدز Reynolds number.

 

يزداد رقم رينولدز طردا بازدياد طول الجسم وسرعته وكثافة السائل، في حين يتناقص طردا بتناقص لزوجة السائل. ولما كانت الطائرة كبيرة وسريعة، فإنها تشتغل عند أرقام رينولدز تتفاوت ما بين مليون إلى 100 مليون. أما الحشرات باعتبارها صغيرة وبطيئة، فإنها تشتغل عند أرقام رينولدز تتفاوت ما بين 100 إلى 1000، بل أقل من 100 بالنسبة إلى الحشرات البالغة الصغر مثل حشرة الترِپْس thrips، التي تشكل آفة شائعة في الحدائق.

 

انهيار مؤجل⁽⁷⁾

ومن أجل التوصل إلى بعض التبصر حول الكيفية التي يولد بها جناح ذبابة الفاكهة قوة ديناميكية هوائية أثناء خفقانه، قمتُ و<K. گِتْز> في عام 1992 [حين كنا نعمل معًا في معهد ماكس پلانك للسَّيْبِرْنيات البيولوجية MaxPlanck Institute for Biological Cybernetics  في مدينة توبنگن بألمانيا] ببناء نموذج لجناح يتألف من مجداف طوله 20 سنتيمترا وعرضه 55 سنتيمترات ويتصل بمجموعة من المحركات تحركه في صهريج كبير مليء بمحلول سكري كثيف. لقد أعطت هذه التركيبة (ذات الحجم واللزوجة الزائدين من جهة وسرعة خفقان بطيئة من جهة أخرى) رقم رينولدز نفسه، وبذلك تنطبق عليها نفس المبادئ الفيزيائية التي تنطبق على جناح حشرة فاكهة يخفق في الهواء.

 

ومن أجل قياس قوة الرفع وقوة السحب drag المتولدتين أثناء تحرك الجناح في السائل اللزج، قمنا بتزويد الجناح بمحس للقوة. ووضعنا في نهايات الجناح مصدات لتثبيط التدفق على امتداد أطراف الجناح وحوله. وغالبا ما تستخدم مثل هذه التقانة في نماذج الديناميكية الهوائية البسيطة؛ إذ تخفض التدفق بشكل فعّال بمقدار الثلث، مما يجعل عملية التحليل أكثر سهولة، ولكن مع المجازفة بإغفال تأثيرات مهمة.

 

تشاهد حشرة مربوطة بخيط أمام ستارة مَسْرَح لواقع افتراضي virtual reality (في الأعلى). ويتحكم حاسوب في ألوف من صمامات ثنائية خضر، لإحداث صور «توهم» الذبابة بوجود أجسام تتحرك وفقا لمناورات الديناميكيات الهوائية للذبابة. ويوجد مسرح آخر مشابه يعلو محور تحميل(8) gimbal (في الأسفل) لمحاكاة التفافات الطيران  الحر ودحرجاته وانعراجاته.

 

لقد ساعدت تجاربنا باستخدام نموذج الجناح هذا، إلى جانب نتائج مختبرات أخرى، على الكشف عن حل محتمل لأحجية طيران الحشرة يكمن في الانهيار المؤجل. ففي حالة الطائرة يحصل الانهيار عندما تكون الزاوية التي يقطع بها الجناح الهواءَ (زاوية المواجهة angle of attack) شديدة الانحدار؛ أما عندما تكون زوايا المواجهة ضحلة، فإن الهواء ينشطر عند مُقدَّم الجناح ويتدفق بنعومة على السطحين العلوي والسفلي للجناح. وهنا يسير التدفق العلوي بسرعة أكبر مسببا ضغطا أقل فوق الجناح، الأمر الذي يسحب الجناح نحو الأعلى، مما يفضي إلى الرفع. أما عندما تكون زاوية المواجهة شديدة الانحدار، فإن التدفق العلوي لا يستطيع متابعة الخط الكفافي (الكنتوري) للسطح العلوي وينفصل عن الجناح مسببا بذلك هبوطا مأساويا في الرفع.

 

كيف يساعد الانهيار الذي يسبب كارثة للطائرة، على رفع الحشرة؟ تكمن الإجابة في مدى سرعة خفقان أجنحة الحشرة. فالأجنحة لا تتوقف فورا، بل يستغرق التدفق المولد للرفع بعض الوقت قبل أن يتلاشى بعد ازدياد زاوية المواجهة. وفي واقع الأمر، إن المرحلة الأولية للانهيار تزيد الرفع بشكل وجيز بفعل تدفق قصير الأمد يدعى دوامة الحافة المتقدمة leading-edge vortex. والدوامة هنا هي تدفق دوراني للسائل على غرار ما يحدث في الأعاصير، أو التدويم الصغير في حوض استحمام (بانيو) أثناء تصريف مائه.

 

يولد جناح الطائرة الرفع بفعل الديناميكيات الهوائية للتدفق الثابت(9) (في الأعلى). فالتدفق اللطيف فوق ظهر topp الجناح يكون أسرع منه تحته، الأمر الذي يولد منطقةَ ضغط منخفض وقوة متجهة نحو الأعلى. فإذا كانت زاوية المواجهة كبيرة جدا (في الأسفل)، يتوقف الجناح. وحين يبدأ التوقف، تتكون دوامة الحافة المتقدمة بسرعة تدفق كبيرة تزيد الرفع للحظات. وسرعان ما تنفصل الدوامة عن الجناح فتقلل الرفع إلى حد كبير.

 

تتشكّل دوامة الحافة المتقدمة فوق وخلف الحافة المتقدمة للجناح تماما، على هيئة دوامة أسطوانية مقلوبة على جانبها. ويكون تدفق الهواء في الدوامة سريعا جدا، ويضيف ذلك الضغط الحاصل المنخفض جدا رَفْعًا جوهريا. لقد عَرَف هذا التأثير أول مرة مهندسو الملاحة الجوية في إنگلترا في أوائل الثلاثينات من القرن الماضي، ولكنه أقصر أمدا بكثير من أن يستفاد منه في معظم الطائرات. وبسرعة كبيرة تنفصل الدوامة عن الجناح وتنفرط داخل خط مَخْرِ wake الطائرة، فينخفض الرفع بسرعة هائلة وكذلك تتهاوى الطائرة. أما ضربات أجنحة الحشرات فهي قصيرة الأمد، بحيث ينقلب الجناح ويعكس اتجاهه محدثا، من فوره، دوامة جديدة في الاتجاه المعاكس بعد انفراط الدوامة السابقة.

 

تستخدم ذبابة الفاكهة ثلاث آليات مختلفة من الديناميكيات الهوائية لحمل جسمها في الهواء. ففي أثناء معظم فترة شوط الجناح (1) تتكون دُوامة الحافة المتقدمة وتزيد في الرفع، ويطلق على هذه العملية الانهيار المؤجل لكون الدوامة تحتاج إلى وقت لانفصالها، الأمر الذي يحدث حينما تنهار الطائرة. وفي نهاية الشوط (2، 3، 4) يدور الجناح محدثا رفعا دورانيا يناظر كرة تنس تضرب بشكل تدويمي خلفي. وفي بداية شوط الصعود (5) يمر الجناح إلى الوراء عبر المَخْر الناشئ عن شوط الهبوط. ويتم توجيه الجناح بحيث يضيف هذا التدفق الهوائي الزائد مزيدا من الرفع، وتدعى هذه العملية استحواذ المخر wake capture.

 

لقد أمكن الحصول على هذه النتائج عن طريق نماذج مبسطة ثنائية الأبعاد، ثم قام إلينگتون ومشاركوه في جامعة كمبردج في منتصف التسعينات من القرن الماضي بتوسيع تلك النتائج باستخدام نماذج ثلاثية الأبعاد. فقامت مجموعته البحثية بدراسة العثة الهَوْلية الكبيرة⁽¹⁰⁾ Manduca sexta في أثناء  طيرانها مربوطة بخيط في نفق ريحي، وكذلك عثة إنسالية ثلاثية الأبعاد. وباستخدام خطوط من الدخان (تعرف بالماشط الدخاني smoke rake) تبين بالفعل حدوث دوّامة مرتبطة بالحافة المتقدمة للجناح أثناء شوط هبوطه. وأوحى فريق إلينگتون بأن تدفقا محوريا للهواء من قواعد الأجنحة إلى ذراها يعزِّز هذا التأثير عن طريق تخفيض قوة الدوامة، إلى جانب زيادة استقرارها والسماح لها بالبقاء مربوطة بالأجنحة طوال الشوط. ويمكن أن يكون لمثل هذا التدفق المحوري أهمية خاصة لدى الحشرات الكبيرة مثل العث الهَوْلي والرعّاشات dragonflies التي تخفق أجنحتها مسافات طويلة أثناء كل شوط  (ضربة جناح).

 

ومع أن تحديد هذا التأثير قد حل جزءا رئيسيا من هذه الأحجية، فقد أوحت خيوط أدلة مختلفة بأن الحشرات تسخر آليات أخرى إضافة إلى الانهيار المؤجل. فأولا: إن القوة الإضافية التي يولدها الانهيار المؤجل تكفي لتفسير كيفية بقاء الحشرة محمولة في الهواء، ولكنها لا تكفي لتفسير كيف يمكن لكثير من الحشرات أن ترفع ضعف وزن جسمها تقريبا. وثانيا: حاول العديد من الباحثين قياس القوى التي تولدها الحشرة، وذلك بربطها بخيط إلى محوال قوة حساس sensitive force transducer. ويجب النظر إلى مثل هذه التجارب بحذر، إذ إن الحيوانات المربوطة بخيط قد لا تسلك السلوك نفسه الذي تسلكه الحيوانات الحرة الطيران، غير أنه ليس من السهولة بمكان أن يفسر الانهيار المؤجل التوقيت الدقيق للقوى. وعلى سبيل المثال، عندما استخدم گِتْز تقانة الانعراج diffraction الليزري لقياس القوى التي تولِّدها حشرة الفاكهة، وجد أن أكبر القوى حصلت أثناء شوط الصعود ـ في وقت يتوقع أن تكون القوى الناتجة من الانهيار المؤجل ضعيفة.

 

إن التدفق الهوائي حول كرة للتنس ضُربت بشكل تدويمي خلفي يولّد رفعا دورانيا. وتستخدم الحشرات نفس هذه الظاهرة عن طريق تدوير أجنحتها عند نهاية كل شوط (ضربة جناح).

 

وللبحث عن آليات إضافية غير مستقرة unsteady، قمتُ وكل من <O .F. ليمان> و<P .S. سين> في عام 1998 بإنشاء نموذج كبير لذبابة فاكهة قادر على الخفقان – هو الذبابة الإنسالية التي وصفناها سابقا. ويجعل الزيت المعدني اللزج في الصهريج الأجنحة الإنسالية التي يبلغ طولها 25 سنتيمترا تخفق بشكل ديناميكي مرة كل 5 ثوانٍ، مشابهة بذلك أجنحة ذبابة الفاكهة التي يبلغ طولها 2.5 مليمتر والتي تخفق في الهواء 200 مرة في الثانية. قمنا بقياس خاصيتين حاسمتين (القوى الديناميكية الهوائية على الجناح وتدفق السائل حولهما)، وهما ما يستحيل قياسهما بالنسبة إلى أجنحة الذبابة الحقيقية. ومع أن الذبابة الإنسالية صُمِّمت لتقلد ذبابة الفاكهة عن طريق برمجة المحركات الستة التي تحرك الجناحين، فإننا نستطيع أن نعدل حركة الجناح بما يناسب عددا كبيرا من أنواع الحشرات. يضاف إلى ذلك، أننا نستطيع أن نجعل أجنحة الذبابة الإنسالية تخفق بأي أسلوب مطلوب من أجل اختبار فرضية معينة ـ وهذه رفاهية لا تتيحها الحيوانات الحقيقية التي تميل إلى أن تصبح حادة المزاج في الظروف المختبرية.

 

كانت الحشرات أول الحيوانات التي طُوّر لديها طيران فعّال يمتلك معظم الحشرات زوجيْن من الأجنحة. ولكن الأجنحة الخلفية للذباب تطورت إلى أعضاء حسية بالغة الصغر تقوم بوظيفة جيروسكوپات(11) ترصد توجهات جسم الذبابة. يتطلب الطيران بذل طاقة، في كل ثانية، تزيد على عشرة أمثال ما يبذل في المشي على الأرض. ومن جهة أخرى، يكون الطيران لكل كيلومتر أجدى طاقويا بمقدار أربعة أمثال الجدوى الطاقوية للمشي على الأرض. وهكذا، فعلى الرغم من أن الطيران غاية يصعب تحقيقها، فإنه يوفر للكائنات القادرة عليه خاصية كبرى.

 

نتائج الذبابة الإنسالية (الروبوتية)⁽¹²⁾

حينما خفقت الذبابة الإنسالية على غرار ذبابة الفاكهة، قسنا نمطًا غريبا من القوى؛ إذ ولدت الأجنحة في بداية كل شوط ونهايته قوى آنية كبيرة لا يسهل تفسيرها بالاعتماد على مفهوم الانهيار المؤجل. وتبلغ هذه القوى ذروتها أثناء انقلاب الشوط stroke reversal عندما يتباطأ الجناح ويدور بسرعة، مما يوحي  بأن الدوران ذاته قد يكون هو المسؤول.

 

تمتلك الحشرات أكثر البنى الجناحية تنوعا وحركية(13) بين جميع الحيوانات الطائرة. تُبدي عضلات الطيران في الحشرات أعلى معدل استقلاب (أيض) معروف لدى أي من النُّسُج الأخرى. يعد الهواء أكثر لزوجة من الماء من الناحية الحركية: بمعنى أن نسبة اللزوجة إلى الكثافة تكون أعلى في الهواء. وتلك النسبة هي الشأن المهم لديناميكية السوائل(14).

 

وتُحدث الأجسام الدوارة، التي تتحرك في الهواء، تدفقات تشابه تلك التي ترفع الجناح الاعتيادي. فَكُرة التنس إذا ما ضُرِبت على نحو تدويمي خلفيbackspin تسحب الهواء بسرعة فوق قمة الكرة، مسببة بذلك ارتفاعها. وعلى عكس ذلك، تؤدي حركة التدويم العلوي topspin إلى سحب الهواء بسرعة نحو الأسفل مسبِّبة دفع الكرة في ذلك الاتجاه. صحيح إن الجناح المسطح يختلف عن الكرة الكروية، ولكن دوران الجناح يجب أن يولِّد بعض الرفع بنفس الآلية العامة.

 

قمنا باختبار فرضيتنا عن طريق التحكم الدقيق في اللحظة ذاتها من دورة الشوط stroke cycle التي ينقلب flip  فيها الجناح. فإذا ما دار الجناح عند نهاية أحد الأشواط، كما في الشوط العادي للذبابة الطبيعية، تدور حافة الجناح المتقدمة نحو الخلف بالنسبة إلى اتجاه حركته، ويكون على الجناح أن يولد قوة ما متجهة نحو الأعلى ـ مشابها بذلك لما يحدث في كرة التنس إذا ما ضربت بشكل تدويمي خلفي. أما إذا دار الجناح متأخرا (عند بداية الشوط التالي)، فإن الحافة المتقدمة تتحرك نحو الأمام بالنسبة إلى اتجاه الحركة، وسوف يولد الجناح قوة متجهة نحو الأسفل تناظر حركة التدويم العلوي. لقد جاءت بيانات الذبابة الإنسالية متطابقة تماما مع جميع هذه التوقعات، مشيرة بذلك إلى أن الأجنحة الخفاقة تولد رفعا ملحوظا عن طريق الجوَلان الدوراني.

 

صورة لذبابة السروء(15) مربوطة بالأسلاك بهدف إجراء دراسات تربط بين النشاط الكهربائي في عضلات التوجيه والتغيرات في حركة الجناح التي تحدث أثناء مناورات التوجيه.

 

ولكن بقيت ذروة قوة أخرى مهمة في بيانات الذبابة الإنسالية تحدث في بداية كل من شوطي الصعود والهبوط، ولا يستطيع الجوَلان الدوراني تفسيرها. وقد بيّنت بضع مجموعات من التجارب بأن هذه الذروة سببتها ظاهرة تعرف باستحواذ المخر wake capture ـ وهي اصطدام الجناح بالمخر المتدوّم الذي أحدثه  الشوط الذي سبقه.

 

تخلِّف كل ضربة للجناح مخرًا معقدا يتألف من التدويم الذي تولده بفعل السريان والدوران عبر السائل. وعندما يعكس الجناح اتجاهه فإنه يرتد خلال هذا الهواء المضطرب. ويحتوي المخر على طاقة فقدتها الحشرة إلى السائل المحيط (انتقلت من الحشرة إلى السائل المحيط)، وبذلك يوفر استحواذ المخر للحشرة طريقة لاستعادة بعض تلك الطاقة، بمعنى إعادة تدويرها recycle . لقد اختبرنا فرضية استحواذ المخر عن طريق إيقافنا التام لأجنحة الذبابة الإنسالية بعد أن كانت تخفق جيئة وذهابا. وهنا استمرت الأجنحة الساكنة تولِّد القوة، لأن السائل المحيط بها ظل يتحرك.

 

ومع أن استحواذ المخر يجب أن يحدث دائما في بداية كل شوط، كما هي الحال في الجولان الدوراني، تستطيع الذبابة أن تنابل manipulate في حجم القوة الناتجة واتجاهها، عن تطريق تغيير توقيت دوران الجناح. فإذا ما دار الجناح مبكرا، تكون زاوية المواجهة مناسبة حين اصطدامه بالمخر مولِّدة بذلك قوة كبيرة باتجاه الأعلى؛ أما إذا تأخر دوران الجناح، فإن الاصطدام بالمخر يولد قوة باتجاه الأسفل.

 

يُجرى إنشاء نموذج أولي لحشرة ميكانيكية ميكروية طيارة في مختبر الإنسالات والماكينات الذكية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. وتبنى معالم هذا التصميم على حشرة السروء Calliphora.

 

وكذلك يساعد كل من المخر والجولان الدوراني على تفسير الديناميكيات الهوائية للتحكم في الطيران ـ أي كيف يتحكم الذباب في اتجاهه. لقد لوحظ أن الذباب يضبط توقيت دوران الجناح لحظة التفافه. وفي بعض المناورات، يدور الجناح الخارجي (الواقع جهة محيط دائرة الالتفاف) مبكرا، مما يولد مزيدا من الرفع، في حين يدور الجناح الداخلي (الواقع جهة مركز الالتفاف) متأخرا فيولِّد قوة رفع أقل؛ وبذلك تُميل القوةُ المحصلة net force الذبابةَ وتعيدها نحو الاتجاه المطلوب. ويوجد تحت تصرف الذبابة صفيف من محسات معقدة، بما في ذلك عيون وأجنحة خلفية ضئيلة تُستخدم أدواتٍ لحفظ التوازن وتحديد الاتجاه (جيروسكوپاتgyroscopes )، ومجموعة من بنى محسية آلية mechanosensory على الأجنحة تستطيع استخدامها لتضبط بدقة توقيت الدوران وسعة الشوط ونواحيَ أخرى من حركة الجناح.

 

دُمية ذبابة إنسالية⁽¹⁶⁾

بدأت أعمال الكثير من الباحثين تتلاحم لتكوِّن نظرية متماسكة لطيران الحشرات، ولكن يبقى هناك العديد من التساؤلات. فالحشرات تمتلك تشكيلة واسعة من أشكال الجسم والأحجام والسلوكيات، تتراوح ما بين الترپسات الضئيلة إلى العثة الهولية الكبيرة، ومن الذباب الثنائي الأجنحة (مثل ذباب الفاكهة) إلى شبكيات الأجنحة lacewings التي يخفق فيها زوجان من الأجنحة بتزامن غير منتظم قليلا، والخنافس المرقطة tiger beetles التي تمتلك جناحين كبيرين ساكنين (الجناحين الغمديين اللذين يشكلان درعها عندما تدب على الأرض)، إضافة إلى الجناحين الخفاقين. فإلى أي حد تنطبق النتائج المستمدة من دراسات ذباب الفاكهة على مثل هذه الحالات التي لا تعد ولا تحصى؟

 

هذا وقد ركزت الدراسات أيضا على الطيران التحويمي hovering flight، وهو أعصى حالة على التفسير؛ لأن الحشرة لا تجني أي فائدة من الهواء المندفع. ولكن هناك تساؤل: هل تستخدم الحشرات آليات مهمة أخرى لتوليد الرفع حين تحركها؟ يستعد الكثير من الباحثين للقيام بإجراء دراسات حول هذه التساؤلات الصعبة. وعلى سبيل المثال تقوم مجموعتي البحثية بتصميم دمية ذبابة إنسالية، ستعيش في صهريج كبير بما يكفي لطيرانها نحو الأمام والتفافها، وذلك من أجل اختبار فرضيتنا حول الكيفية التي يؤدي بها الذباب التفافاته الحادة اللافتة للنظر، وذلك عن طريق ضبط توقيت ضربات أجنحته. وبعد كشفنا النقاب عن مجموعة الحيل الأساسية التي تستخدمها الحشرات للبقاء محلقة في الهواء، تبدأ الآن المتعة الحقيقية.

 

 المؤلف

Michael Dickinson

أستاذ في قسم البيولوجيا التكاملية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي. بدأ حياته الأكاديمية مختصا في البيولوجيا العصبية بالتركيز على الأساس الخلوي للسلوك. وقد انبثق اهتمامه بالطيران من دراسة على البنى الحسية البالغة الصغر التي تتحسس ثني الجناح أثناء خفقانه. وهو يحاول اليوم دراسة السلوك بطريقة أكثر تكاملا عبر ابتكار أدوات وتحليلات في البيولوجيا والفيزياء والهندسة.

 

مراجع للاستزادة 

The Biomechanics of Insect Flight: Form, Function, Evolution. Robert Dudley. Princeton University Press, 2000.

The Web site of the author’s research group is available at httpJ/socrates.berkelsy.edu/ -flymanmd/

An account ofthe origins ofthe bumblebee myth is online at www.math.niu.edu/~rusiM  known-math/98/bees

Scientific American, June 2001

 

(*) Solving the Mystery of Insect Flight

(1) الباع : ما بين الطرفين الانتهائيين للجناحين.

(2) تعبِّر كلمة stall عن التوقف المفاجئ لمحرك أو ماكينة يؤدي إلى فقدان القوة في المَركبة. وحين يحدث هذا في الطائرة فإنها تهوي.

(3) المَخْر هو الأثر الذي تخلفه السفينة (أو الطائرة) وراءها وهي جارية. ويمكن استعارة ذلك لما يخص الديناميكيات الهوائية للطيران.

(4) إنسالية نسبة إلي إنسالة وهذه نحت من إنسان آلي. (التحرير)

(5) نسبة إلى جزيرة ليليپوت الخيالية التي يسكنها أقزام.

(6) A Blur of Wings

(7) Delayed Stall

(8) هو محور شبيه بالمحور الحامل للبوصلة gimbal يتحرك مناورا بجميع الاتجاهات. (التحرير)

(9) steady-flow aerodynamics

(10) هي فراشة من فصيلة الهَوْليات ورتبة حرشفيات الأجنحة، تُضر أساريعها ببعض النباتات الزراعية.

(11) gyroscopes

(12) Robofly’s Results

(13) kinematic

(14) fluid dynamics

(15) blowfly : هي أنواع كثيرة من الذباب تضع بيضها في لحوم الجيف. (التحرير)

(16) Bride of Pobofly