Vedeli ste, že čmeliak dokáže vyletieť vyššie ako na Mount Everest? Pritom, ak sa naň dobre pozriete, je prekvapivé, že vôbec lieta. Čmeliak je malý a zavalitý a nevyzerá byť vhodným adeptom na let. Prečo teda lieta, aj keď z matematického hľadiska by nemal? A prečo bodá?
Pohyb krídel
Profesor biológie, expert na let hmyzu z Washingtonskej univerzity, si kládol otázku: „Ako môžu tieto maličké krídelká vytvoriť dostatok sily, aby udržali hmyz vo vzduchu?” Po zhromaždení informácií s použitím vysokorýchlostnej fotografie skutočných lietajúcich včiel a čmeliakov zistil, že obrovským mýtom o lete hmyzu je predstava, že mávajú krídlami hore a dole. „V skutočnosti, s pár výnimkami, mávajú krídlami dopredu a dozadu.”
Čo je podstatné pre lietanie? Váha je príťažlivá sila. Pôsobí smerom nadol – k jadru Zeme. Vztlak je sila, ktorá pôsobí v pravom uhle na smer pohybu vo vzduchu. Vztlak je vytváraný rozdielmi v tlaku vzduchu. Ťah je sila, ktorá poháňa lietajúci stroj/lietadlo do smeru pohybu. Motor vytvára ťah. Odpor je sila, ktorá pôsobí proti smeru pohybu. Je spôsobený trením a rozdielmi v tlaku vzduchu.
Pohyb vytvára víry
Dynamika čmeliakovho letu je odlišná od dynamiky, ktorá umožňuje lietať lietadlu. Krídla lietadla tlačia vzduch nadol, čo zase vytláča krídla nahor. U včiel to nie je také jednoduché. Rozmach/mávnutie krídel je trochu ako čiastočné otáčanie nie veľmi dobrej vrtule helikoptéry, ale uhol krídla navyše tvorí vzdušné víry, niečo ako maličké hurikány. Tieto mini-hurikány majú nižší tlak ako okolitý vzduch, takže udržanie vzdušných vírov nad krídlami pomáha včele zostať vo vzduchu.
Čmeliaky sa hýbu vpred pomocou krídel, dvíhajú svoje telíčka a vytvárajú ťah smerom dopredu. Ak chcú letieť vyššie, musia zvážiť aj svoju váhu. Samozrejme sa môžu odľahčiť rovnako ako my – vylučovaním nadbytočných tekutín.
Profesorka Carol Robinson prednášala v aule Univerzity Komenského v Bratislave 6. 7. 2017
Ako vysoko dokáže vyletieť? Čmeliak dokáže vyletieť vyššie ako na Mount Everest. Potrebuje však teplejšie počasie ako na Mount Evereste. Čmeliaky nedokážu prežiť v mrazivých podmienkach. Istý výskumný tím pricestoval k pohoriu v západnej Číne a vedcom sa podarilo odchytiť 6 čmeliakov miestneho druhu a vypustiť ich vo výške 3 250 metrov n. m. Nadmorská výška im nevadila, zima bola neprekonateľnou prekážkou.
Včely vedia pomaly pumpovať vzduch zo svojich vzduchových komôr, napodobňujúc podmienky atmosferického tlaku v stále vyšších a vyšších nadmorských výškach. Dokonca až takých vysokých, aké sú na horách. Takže čo vytvára podmienky pre úspešný let vo vysokej nadmorskej výške? Tí, čo letia najvyššie, nemávajú svojimi krídlami častejšie ako tí v nižších nadmorských výškach; namiesto toho zvyšujú to, čomu vedci hovoria „amplitúda kmitu/rozkmitu”. Znamená to, že včely/čmeliaky zväčšia rozsah pohybu svojich krídel, pohybujúc nimi viac dopredu a dozadu pri každom mávnutí, aby vykompenzovali nedostatok tlaku vzduchu.
Čmeliaky bodajú len ak sú v ohrození. Prečo bodajú? Ak sa cítia byť vami ohrození, „povedia” vám to tak, že zdvihnú jednu zo svojich prostredných nôh. Ak ustúpite, uvoľnia sa a dajú nožičku späť dole – ale ak zostanete blízko (čo sa im nepáči), zdvihnú do vzduchu ďalšiu nôžku. Ak sa ešte viac priblížite, zdvihnú obe nohy vo vzduchu vertikálne a otočia sa na chrbát, aby vám ukázali svoje žihadlo! Nazýva sa to „zaujatie pozície”, ale veľmi zriedka vedie k skutočnému bodnutiu.
Ak čmeliaky vôbec bodnú, ich žihadlo nemá ostne ako včelie, takže následne nezomrú. Dôvodom je, že včela, ktorá bodla človeka, má na žihadle ostne a naša pomerne elastická koža bráni v jeho vytiahnutí. Nakoniec je včela buď zabitá tým, koho bodla, alebo ťahá tak silno, že sa jej žihadlo, miešok s jedom a obsah jej brušnej dutiny vytiahnu z jej tela, pripojené k zabodnutému žihadlu. Včela, umierajúc, odletí preč.
Roje včiel – prečo sa nezrazia? Ak by všetci účastníci prednášky naraz behali po sále, je tu veľká šanca, že by došlo k zrážkam. Vedci sa veľmi zaujímajú o to, ako sa hmyz dokáže ovládať, keď je vo vzduchu a ako je možné, že v rojoch nenaráža do seba navzájom. Podobné štúdie inšpirovali vedcov na Harvarde k vytvoreniu roja robotického hmyzu nazývaného Robovčely.
Robovčely. Vedci z Harvardu sa nechali inšpirovať včelami a vyvinuli Robovčely, ľuďmi navrhnuté robotické včely, ktoré by mohli plniť množstvo úloh v poľnohospodárstve alebo byť nápomocné pri prírodných katastrofách (napríklad zmapovanie rozsahu škôd pomocou maličkých kamier, umiestnených na Robovčelách). Robovčela je veľká asi ako polovica bežnej kancelárskej spinky na papier, váži menej ako jednu desatinu gramu a lieta pomocou „umelých svalov”, vytvorených z materiálov, ktoré sa stiahnu, keď do nich pustíte elektrický prúd.
Robovčela lieta. Cieľom projektu Robovčiel je zosúladiť správanie mnohých nezávislých robotov tak, aby počas spoločného letu mohli byť použité ako umelá inteligencia, rovnako ako napríklad drony či bezpilotné lietadlá.
Využitie hmotnostej spektrometrie ako analytického nástroja
Profesorka Carol Robinson je vo vedeckom svete známou priekopníčkou využitia hmotnostnej spektrometrie ako analytického nástroja. K výskumu uviedla: „Môj vlastný výskum na univerzite v Oxforde je takisto inšpirovaný včelami. Necháme molekuly bielkovín preletieť cez hmotnostný spektrometer, aby sme zaznamenali ich let a dozvedeli sa o ňom viac. Skúmame, ako rýchlo a po akých dráhach preletia plynným skupenstvom a narazia do pevnej zábrany na konci trubice prístroja. Rovnako ako hmyz, molekuly nelietajú priamo z bodu A do bodu B a preto je ich pohyb zložitou a zároveň fascinujúcou vedeckou hádankou.“
Hmotnostná spektrometria (mass spectrometry – MS) je metóda analytickej chémie, pracuje s delením podľa pomeru m/Q, kým m je hmotnosť a Q je náboj fragmentu. Jej princíp je založený na ionizujúcich chemických zlúčeninách a meraní ich hmotnosti vzhľadom k náboju.
Prečo teda čmeliak lieta, aj keď z matematického hľadiska by nemal?
Je to preto, lebo čmeliak matematike vôbec nerozumie a tak si veselo lieta ďalej.
Profesorka Carol Robinson je stálou profesorkou jednej z trojice inštitúcií (anatómie, chémie a experimentálnej filozofie) v Oxforde, nazvaných podľa Dr. Mathewa Leeho. Je tiež nositeľkou Rádu Britského impéria – náleží jej titul Dame Commander. Je prvou ženou na pozícii profesora chémie v Oxforde a predtým bola prvou ženou – profesorkou chémie na univerzite v Cambridge. Je známou priekopníčkou využitia hmotnostnej spektrometrie ako analytického nástroja. Získala tiež uznanie za svoj prevratný výskum trojrozmernej (3D) štruktúry bielkovín. V rokoch 1980 – 1982 absolvovala postgraduálne štúdium na Churchill College, ktoré úspešne ukončila získaním titulu PhD (Philosophiae Doctor).
Po osemročnej prestávke, ktorú si vyžiadalo narodenie a výchova jej troch detí, sa vrátila k výskumu v Oxforde. V roku 1999 sa stala titulárnou profesorkou. V roku 2001 sa vrátila do Cambridge, aby pokračovala vo výskume hmotnostnej spektrometrie. Bola zvolená za asistentnú profesorku na Churchill College, za odbornú asistentku (akademický titul) Kráľovskej spoločnosti v roku 2004 a profesorku výskumu Kráľovskej spoločnosti v roku 2006. V roku 2009 ju zvolili za profesorku chémie Dr. Leeho na univerzite v Oxforde a v roku 2013 jej bol udelený titul Dame Commander Rádu Britského impéria.
Prednáška pod názvom Prečo čmeliak lieta a bodá? bola prvou prednáškou v tomto ročníku Detskej Univerzity Komenského. Odznela 6. júla 2017 v aule UK v Bratislave. Určite bude významnou v dejinách DUK, pretože s ňou vystúpila profesorka Carol Robinson z Univerzity v Oxforde, ako prvá prednášajúca zo zahraničia.
V 15. ročníku Detskej univerzity Komenského študuje v dennom štúdiu 335 žiakov a v 7. ročníku DUK online štúdia 708 žiakov.
Spracovala: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR
Zdroj foto z prednášky: Univerzita Komenského v Bratislave
Portrét: z archívu prof. Carol Robinson
Ilustračné foto: Pixabay.com