तितलियों की उड़ने की क्षमता पर एक नजर

मोनार्क तितलियाँ शीतनिद्रा में रहने के लिए उत्तरी संयुक्त राज्य अमेरिका या कनाडा से मध्य मैक्सिको तक लगभग 4000 किमी की दूरी तय करती हैं, यह प्रवासन पैटर्न उनकी तरह की किसी भी अन्य प्रजाति से बेजोड़ है। इतनी लंबी यात्रा पहली बार में अजीब लगती है: तितलियाँ एकमात्र उड़ने वाली प्राणी हैं जिनके शरीर के अनुपात में छोटे, चौड़े और बड़े पंख होते हैं। लेकिन अनुकूल हवा की धाराओं को पकड़ने के लिए पर्याप्त ऊंची उड़ान भरने से कहीं अधिक ने इस सफलता में योगदान दिया होगा।

लेपिडोप्टेरा, जिसका ग्रीक में अर्थ है "स्कैली पंख", तितलियों और पतंगों के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला वैज्ञानिक वर्गीकरण है। तितली के पंखों में दोनों तरफ एक लाख से अधिक सूक्ष्म तराजू हो सकते हैं। यद्यपि गुच्छों का आकार भिन्न-भिन्न होता है, सामान्यतः उनकी मोटाई 0,1 मिमी होती है। कीड़ों को सूखा रखने के अलावा, तराजू उन्हें अपना विशिष्ट रंग पैटर्न भी देते हैं जो उन्हें शिकारियों से बचने, तापमान को नियंत्रित करने और संभोग आकर्षण को आकर्षित करने में मदद करता है। इसके अतिरिक्त, इसकी माइक्रोजियोमेट्री त्वचा के घर्षण को 45% तक कम कर सकती है।

कीट पंखों के डिज़ाइन बहुत भिन्न होते हैं, और आकार उड़ान दक्षता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। छोटे पंख वाले कीड़े जैसे मक्खियाँ (200 हर्ट्ज) उच्च पंख फड़फड़ाहट आवृत्तियों का उपयोग करते हैं, जबकि बड़े कीड़े जैसे मोनार्क (10 हर्ट्ज) कम आवृत्तियों का उपयोग करते हैं। मोनार्क सहित अधिकांश तितलियाँ जमीन से केवल कुछ मीटर ऊपर उड़ती हैं, लेकिन प्रवास के दौरान मोनार्क को 1 किमी से अधिक की ऊँचाई तक बढ़ते हुए देखा गया है, जहाँ से वे हवा की धाराओं पर कई किलोमीटर तक उड़ती हैं। जमीन के करीब उड़ते समय और अपने पंख फड़फड़ाते समय, वे 5 मीटर/सेकेंड तक उड़ सकते हैं, जो दुनिया के सबसे तेज़ आदमी उसेन बोल्ट की गति से लगभग आधी है।

2017 में हमारे द्वारा किए गए एक प्रोजेक्ट के हिस्से के रूप में, शोधकर्ताओं ने मोनार्क तितलियों के पंख फड़फड़ाने की गतिविधियों और प्रक्षेपवक्रों की जांच की, पहले उनके तराजू खुले और फिर उनके तराजू बंद हो गए। सबसे पहले, प्रयोग ने इस विचार को खारिज कर दिया कि एक कीट को उड़ने के लिए तराजू की आवश्यकता होती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि पक्षी के पंखों के समान, पंख से जुड़े तराजू को धीरे से हटाने के बाद, तितली का वजन औसतन केवल 9,5% कम हुआ।

हालाँकि, 11 नमूनों और 200 से अधिक उड़ानों से जुड़े एक अध्ययन में, तराजू को हटाने से एक सम्राट की चढ़ाई दक्षता में औसतन 32% की कमी आई। वॉशर में एक विशेष और लाभकारी डिज़ाइन होता है जो छोटे कक्ष बनाता है जो विंग के वायुगतिकी में सुधार करता है।

तितलियों की उड़ान वायुगतिकी

चित्र फड़फड़ाती उड़ान के दौरान तितली पर कार्य करने वाले चार बुनियादी बलों को दर्शाता है: लिफ्ट (एल), काउंटरवेट (डब्ल्यू), थ्रस्ट (टी), और ड्रैग (डी)। पंख इनमें से तीन का उत्पादन करते हैं: लिफ्ट, थ्रस्ट और ड्रैग। कीट पर चढ़ने के लिए उसकी उठाने और धकेलने की शक्ति उसके वजन और खींचने की शक्ति से अधिक होनी चाहिए। इसके अतिरिक्त, पंखों के संपर्क में आने वाली हवा पंखों पर दबाव और कतरनी तनाव लागू करती है, जो पंखों को शुद्ध लिफ्ट, जोर और खींचने का एकमात्र तरीका है।

जैसे ही कीट उड़ता है, प्रत्येक पंख के ऊपर से गुजरने वाली हवा द्वारा एक अग्रणी-किनारे वाला भंवर बनाया जाता है। घूर्णन प्रवाह द्वारा भंवर के अंदर कम दबाव बनाया जाता है, और विंग में परिणामी दबाव अंतर लिफ्ट और जोर दोनों पैदा करता है। कतरनी तनाव बहाव का मुख्य कारण है।

क्रिस्टोफ़र जोहानसन और पेर हेन्निंग्सन द्वारा धीमी गति वाले कैमरों और प्रवाह मापों का उपयोग करके 2020 में तितलियों के विभिन्न उड़ान पैटर्न का पता लगाया गया था। उन्होंने पता लगाया कि अपस्ट्रोक का अंत, जहां लचीले पंख आपस में जुड़ते हैं और उनके बीच फंसी हवा को निचोड़ते हैं, तब सबसे अधिक जोर उत्पन्न होता है। त्रि-आयामी, जटिल और अनियमित वायुप्रवाह सभी संभव हैं। ग्लाइडर की उड़ान में, पंख के ऊपर से चलने वाली चिपचिपी हवा के कारण होने वाला त्वचा का घर्षण या कतरनी तनाव, कुल खींचने वाले बल का लगभग आधा होता है। जागृत भंवरों में पीछे छूटी ऊर्जा, जिसे प्रेरित ड्रैग के रूप में भी जाना जाता है, एक अन्य महत्वपूर्ण कारक है।

सम्राटों का ग्लाइड अनुपात रूढ़िवादी रूप से 4:1 होने का अनुमान लगाया गया है। कम से कम यह कहा जा सकता है कि ग्लाइडिंग उड़ान के दौरान त्वचा का घर्षण लिफ्ट के 10% या उससे कम के लिए जिम्मेदार हो सकता है। कम पहलू अनुपात वाले पंखों के कारण तितलियाँ अकुशल रूप से उड़ती हैं, कम से कम बोइंग 17 की तुलना में, जिसका ग्लाइड अनुपात लगभग 1:747 है। यदि त्वचा के घर्षण को कम करने का कोई तरीका होता, तो राजा अपने हल्के शरीर और बड़े पंखों के साथ बहुत कम प्रतिरोध के साथ हवा में उड़ सकते थे।

तितलियाँ हवा के साथ घर्षण करती हैं

तितली के पंख पर त्वचा के घर्षण का कारण लैमिनर सीमा परत का विकास है, जो पंख और आसपास की हवा के बीच वेग अंतर के साथ चिकनी चिपचिपा प्रवाह का एक क्षेत्र है। द्रव यांत्रिकी में, तथाकथित नो-स्लिप स्थिति बताती है कि पंख के साथ हवा का वेग पंख की सतह के साथ मेल खाना चाहिए। हालाँकि, स्केल-निर्मित माइक्रोकैविटी की उपस्थिति यह बदल देती है कि हवा पंख की सतह के साथ कैसे संपर्क करती है।

तराजू के नीचे के स्थानों में, तराजू के छोटे आकार और उनके ऊपर चिपचिपी हवा के प्रवाह के कारण रेनॉल्ड्स संख्या (जड़त्वीय बलों और चिपचिपे बलों का अनुपात) 10 से कम है। रेनॉल्ड्स संख्या कम होने के कारण प्रवाह स्थिर और व्यवस्थित है। यदि रेनॉल्ड्स संख्या बढ़ती है, तो प्रवाह अस्थिर होने लगेगा। मेरा समूह प्रयोगशाला में इस कम रेनॉल्ड्स संख्या प्रवाह को उच्च-चिपचिपाहट वाले खनिज तेल के साथ हवा की जगह और तराजू के आकार को तीन गुना करने वाली निर्मित प्लेटों के साथ तराजू को फिर से बनाने में सक्षम था। 22° और 45° के बीच गुहा दीवार के कोणों का उपयोग करते हुए, स्केल सतह के जैविक रूप से प्रेरित मॉडल की जांच की गई।

जैसे ही तरल गुच्छों की पंक्तियों में अनुप्रस्थ गुच्छों के अंतराल पर बहता है, छोटे भंवर पकड़ लिए जाते हैं। ये छोटे वायु पहिये बाहरी प्रवाह से स्वतंत्र होते हैं और वस्तुतः पंख की सतह के साथ विलीन हो जाते हैं। जब ऐसा होता है, तो बाहरी प्रवाह में सतह पर कूदने की क्षमता होती है, जो आंशिक रूप से नो-स्लिप आवश्यकता को ओवरराइड करता है। प्रयोगशाला के परिणामों से पता चला है कि उड़ान में तितली के शल्कों द्वारा सामना किए जाने वाले कम रेनॉल्ड्स संख्या प्रवाह के लिए, चिकनी सतह की तुलना में त्वचा के घर्षण में कम से कम 26% और 45% तक की कमी होती है।

हमारे नवीनतम निष्कर्षों के अनुसार, जब शून्य रेनॉल्ड्स संख्या 10 (80 या अधिक) से काफी अधिक होती है, तो सकारात्मक प्रभाव गायब हो जाता है क्योंकि छोटे भंवर में प्रवाह अव्यवस्थित हो जाता है और इसके ऊपर के बाहरी प्रवाह के साथ विलीन हो जाता है। इसलिए, तितली के पंखों पर छोटे तराजू कीट की विशिष्ट उड़ान गति को पूरी तरह से समायोजित करते हैं। यदि गुच्छे काफी बड़े होते, तो वे एक बड़ा अंतर रेनॉल्ड्स संख्या उत्पन्न करते और प्रवाह नियंत्रण तंत्र खो देते जिससे उड़ान दक्षता बढ़ जाती।

संसाधन: भौतिकी आज

📩 14/09/2023 10:03