Некоторые змеи способны к непродолжительным «полетам». Речь идет о так называемом феномене «воздушной волнистости», который наблюдается во время каждого «скольжения» представителей рода Chrysopelea. Это - единственные известные пресмыкающиеся, которые могут летать. Ученые, конечно, знали об их способности в течение длительного времени, но не могли ее объяснить.

На протяжении более чем 20 лет Джейк Соха, профессор кафедры биомедицинской инженерии и механики в Вирджинском технологическом институте занимался измерением, а также моделированием биомеханики полета змеи этого семейства. Благодаря этому, он смог дать ответы на многие вопросы. Например, о важности явления «воздушной волнистости». В целях решения поставленных задач была собрана команда из экспертов в разных дисциплинах, что привело к разработке анатомически точной 3D-математической модели Chrysopelea paradisi в полете.

Команда разработала 3D-модель после изучения более 100 змей. Она учитывает такие параметры как частоты, направление волн, массу, силы, действующие на тело. В итоге исследователи провели эксперименты по изучению феномена «воздушной волнистости».

Когда созданная модель летающей змеи больше не могла колебаться в воздухе, ее тело падало. Тест на имитацию «скольжения», которое удерживало эту «волнистость», подтвердил гипотезу о том, что именно она, в свою очередь, повышает устойчивость летающих змей во время полета.

Представители исследовательской группы провели еще несколько исследований, которые позволили объяснить, как лягушки выпрыгивают из воды или как утки приземляются на воду. В частности, для экспертов было важно исследовать функциональную роль «воздушной волнистости» в «скольжении» змей по воздуху.

Мы знаем, что змеи имеют определенную систему нервов и мышц. В них заложена особая программа, позволяющая им вести себя определенным образом. В процессе своей жизнедеятельности от мозга они получают определенные сигналы – задействовать конкретную мышцу. Эта теория получила научное доказательство достаточно давно и до сих пор остается актуальной.

Джейк Соха отмечает, что феномен «волнистости» мог устареть. Он предположил, что, возможно, змея, поднимаясь в воздух, просто-напросто не знает, как себя вести, и доверяется собственному телу. Тем не менее, специалисты верили, что за таким поведением скрывается что-то большее.

На протяжении всего полета представителей изучаемого семейства одновременно происходит большое количество вещей, и уследить за каждой из них проблематично. Поэтому ученые описали основные этапы, которые характерны для такого «скольжения». Эти шаги считаются преднамеренными.

  1. Сначала змея прыгает, изгибая свое тело в «J-петлю». Затем она меняет форму тела, ее мышцы смещаются, а тело как бы расплющивается, по крайней мере, везде за исключением хвоста.
  2. Тело превращается в «трансформирующееся крыло», которое собственно и формирует силу подъема и сопротивления воздуху. Оно ускоряется из-за влияния силы тяжести. После подробного изучения данного свойства был сделан вывод о том, что именно на этом шаге приходит волнообразность, поскольку змея как бы посылает волны вниз по всему своему телу.

В самом начале исследования ученые выдвигали теорию «воздушной волнистости», которая была объяснена путем сравнения двух типов самолетов: огромных реактивных агрегатов и истребителей. Первые модели – максимально устойчивые, они способны к самостоятельному выравниванию, а вторые могут выйти из-под контроля.

Так что же это за змея?

Это существо, как отмечают эксперты, похоже на большой реактивный самолет, который от природы не обладает устойчивостью. Возможно, явление «воздушной волнистости» как раз и является способом борьбы с нестабильностью. Хотя до этого специалисты полагали, что змею следует сравнивать с истребителем.

Чтобы провести тесты для исследования важности волнистости для устойчивости, команда решила разработать 3D-модель, которая могла бы имитировать «скольжение». Но сначала им нужно было проанализировать, что делают змеи во время полета.

В 2015 году исследователи собрали данные о 131 «скольжении» древесных змей. Они превратили четырехэтажный театр в Центре искусств Мосс в крытую арену и использовали 23 высокоскоростные камеры, чтобы запечатлеть движение змей. Животные прыгали с дубовой ветки и скользили вниз на мягкую обивку, которую команда установила, чтобы смягчить их приземление.

Камеры излучали инфракрасный свет, поэтому змеи были помечены инфракрасно-отражающей лентой вдоль тел, что позволяло системе захвата движения обнаруживать меняющееся положение с течением времени. Определение количества точек измерения было ключевым для исследования. В прошлых экспериментах Соха обнаруживал три таких точки, а затем пять. Но эти цифры не давали достаточной информации. Данные из меньшего количества точек видео обеспечивали только поверхностное понимание.

Команда нашла много интересных фактов в 11-17 точках, которые позволило получить видео с высоким разрешением. Эксперт отметил, что с помощью этого числа можно было бы получить максимально точное представление о поведении змеи. Исследователи продолжали строить 3D-модель, оцифровывая и воспроизводя движение змеи. Они постоянно анализировали измерения, которые были собраны ранее.

Работа над моделированием летающих змей велась с 2013 года, но предыдущие модели рассматривали тело змеи по частям. Сначала в области головы, центральной части и хвоста, затем – в качестве комплекса отдельных звеньев. Было отмечено, что змея ведет себя в воздухе как лента, и это единственное возможное объяснение.

В виртуальных экспериментах модель показала, что «воздушная волнистость» не только удерживает змею от падения во время «скольжения», но и увеличивает горизонтальные и вертикальные расстояния ее перемещения. Росс отмечает, что возвратно-поступательное движение повышает уровень стабильности вращения и приводит к лучшему «скольжению». Эксперты также считают, что, имея волнообразное движение, змея способна уравновесить подъемные и тяговые силы, создаваемые ее сплющенным телом. При этом она никогда не упадет и сможет продолжать свое движение.

Эксперименты позволили команде получить детали, которые ранее не могли визуализировать. Специалисты увидели, что змея использует две волны при волнообразном движении: горизонтальную волну большой амплитуды и вертикальную волну меньшей амплитуды. Волны шли из стороны в сторону, вверх и вниз одновременно, и данные показали, что вертикальная волна шла в два раза быстрее горизонтальной. Они посчитали данное явление странным. К тому же эти волны были обнаружены только у некоторых змей.

Ученые смогли значительно продвинуться в понимании кинематики скольжения и в способности моделировать систему. Именно эти открытия делают эксперимент максимально качественным. Полет змей сложен, и уследить за ними порой нереально. Существует огромное количество тонкостей, которые нужно принять во внимание, чтобы сделать вычислительную модель точной.

Соха отмечает, что за все эти годы ему довелось наблюдать за большим количеством скольжений, но каждое из них является уникальным. Тем не менее, в настоящее время он в состоянии предоставлять ответы на любые вопросы.

Соха приписывает некоторые элементы, которые сформировали реальные и имитированные эксперименты по скольжению, силам, вышедшим из-под его контроля. Через несколько лет после открытия Центра искусств Мосс медиа-инженер Института творчества, искусств и технологий (ICAT), спросил его, думал ли он когда-нибудь о работе в кубе. Это место оказалось очень удобным для проведения экспериментов.

Многие проекты в ICAT использовали передовые технологии студии, не похожей ни на одну другую в мире, чтобы показать то, что обычно не было видно. Именно так считает Бен Кнапп, директор и основатель ICAT. Ученые, инженеры, художники и дизайнеры объединяют свои усилия, чтобы создавать и внедрять новые способы решения самых грандиозных задач.

По мнению редакции портала новостей «Центропресс», ученые с каждым годом открывают все больше тайн природы, которые раньше просто воспринимались как данность и не поддавались логическому объяснению. Может показаться, что такие эксперименты не имеют никакой практической ценности, однако они дают новые знания о кинематике и, вероятно, в дальнейшем могут быть использованы для разработки инновационных технологических решений.