fler faktoider

Bilaga till faktoiden
Humlor kan inte flyga

Fallet med den flygande humlan

Ken Zetie

Jag får många märkliga reaktioner när jag berättar för folk att jag är forskare. De berättar ofta om hur dåliga de var i skolan [ i ämnet science, vilket motsvarar naturkunskap i Sverige ö.a. ], eller så frågar de om jag gör atombomber.

Det verkar som om folk är rädda för vetenskap, så de tar varje chans att förringa den. De vill tro att vetenskap är något man har i laboratorier eller för att göra bomber, men att det inte har något med "verkligheten" att göra.

Michael Flanders gjorde en elegant sammanfattning när han förklarade att han inte förstår forskare och att de inte förstår någon annan; man måste tilltala dem på deras eget språk: "H2SO4 professorn! Syntetisera inget som jag inte skulle syntetisera! Och reciproken på pi till din fru!" Som nästan all stor humor plågsamt nära sanningen.

Ett ämne som folk gillar att ta upp är den älskade gamla myten att vetenskapen bevisat att humlan inte kan flyga. Där har ni den, en liten Bombus Terristris som uppenbarligen flyger omkring hela sommaren, och dessa knäppa förståsigpåare med näsorna i provrören som påstår att den inte kan flyga. Hur dumt kan det bli?

Det är uppenbart för varje forskare att humlan kan flyga eftersom det så att säga bevisats experimentellt. Så varifrån kommer den här historien om att humlor bevisligen inte kan flyga? Och vem hittade på den?

Vi börjar med fysiken bakom det hela. Får man en fråga som har med flygning att göra så börjar man med ekvationerna som beskriver ett föremåls lyftkraft, och jämför denna med föremålets vikt. Om lyftkraften är större än vikten så kan föremålet flyga. Humlor är ganska tunga insekter på uppemot ett gram, och har en vingyta på ungefär en kvadratcentimeter. Räknar man på det hela så ser man att den inte kan skapa tillräckligt mycket lyftkraft vid dess marschfart på ungefär en meter i sekunden. Men det är inget bevis på att de inte kan flyga. Det är ett bevis på att humlor med sina platta, styva vingar inte kan glidflyga. Det har rentav bevisats experimentellt. Med en en död humla och en gnutta lack är det enkelt att visa att de faktiskt inte kan glidflyga.

Men hur gör de när de flyger då? Det är faktiskt en mycket intressant fråga, som involverar mycket fysik. Varför rör humlor på vingarna när en jumbojet inte gör det? Det har med storleken att göra, och detta visar en storhet som kallas Reynolds tal.

Osborne Reynolds var en viktoriansk ingenjör som intresserade sig för vad som händer när man placerar ett föremål i en ström av vätska eller gas. Talet som uppkallats efter honom är, för ett givet föremål, förhållandet mellan lyftkraft man får jämfört med hur mycket motstånd man får. Ett lågt Reynolds-tal innebär att man får lite lyftkraft men mycket motstånd, medan ett stort Reynolds-tal innebär förhållandevis mycket lyftkraft.

Reynolds-talet för en vinge beror på dess storlek. Större vingar ger högre Reynolds-tal. Om vi tar alla uppgifter vi har om humlor och bin m.fl. så kan vi räkna ut att de arbetar med mycket låga Reynolds-tal (1000 eller så för ett honungsbi, och så lite som 15 för vissa getingar).

Det betyder att deras flygning är mycket ineffektiv eftersom en vinge som börjar röra sig för att skapa lyftkraft samtidigt bromsas av luftmotståndet.

Det är tämligen enkelt att visa att fåglar kan skapa tillräcklig lyftkraft för att flyga när de väl befinner sig i flykt och har luft som strömmar runt deras vingar, men många av dem skulle få stora problem med att komma upp i luften. Små insekter kan, enligt denna modell, inte flyga alls.

Vad detta bevisar är naturligtvis att modellen är otillräcklig.

Torkel Weis-Fogh har på ett briljant sätt visat hur små insekter kan flyga, och detta har i sin tur lärt oss en del om hur naturen fungerar.

Om du är liten och vill flyga så har du problem. Reynolds-talet är inte på din sida så du kan inte glidflyga, och det är mycket arbetsamt att flaxa med vingarna. Vingen får luften att röra sig på dess ovansida på ett sådant sätt att luften lämnar bakkanten med riktning nedåt, vilket skapar en uppåtriktad motkraft på vingen. I en vindtunnel med rök kan man visa detta på ett elegant sätt, med rökstrimmor som virvlar neråt när de lämnar vingen.

Men det tar tid att få till en rejäl virvel. Vingen behöver röra sig flera gånger sin egen längd för att det ska hända något. Det gör det besvärligt om man flaxar med vingarna eftersom en vinge inte kan röra sig mycket mer än sin egen längd och under större delen av vingslaget skapas mycket lite lyftkraft.

Naturen har utvecklat ett antal intressanta lösningar på problemet. Ett bra exempel är det s.k. "klapp-slaget" ("clap-fling"). När en liten fågel eller en insekt ska lyfta behöver den mycket lyftkraft. Den slår då ihop vingarna ovanför ryggen - klapp! - så luften pressas ut mellan dem. När vingarna sedan säras rusar luften tillbaka. Vingarna slås ut helt, och lyftkraft skapas omedelbart eftersom luften redan är i rörelse åt rätt håll. Du kan höra klappet. När en fasan lyfter kan man höra ett karakteristiskt smattrande ["bullrande uppflog" som det står i fågelboken - övers. anm.] vilket beror på klapp-slaget enl. ovan. I Aeneiden skrev Vergilius för 2000 år sedan att en klippduva klappar sina vingar när den lyfter - duvan är lånad från Homeros, men klappet var hans eget.

Så när vi försöker ta reda på hur humlor flyger kommer vi fram till att de använder påfallande sinnrika metoder.

Flygplan kan skapa såpass mycket lyftkraft att de inte behöver ta till dylika knep, men å andra sidan behöver de långa startbanor. Fåglar får tillräckligt med lyftkraft men behöver lite extra kraft för att komma upp i luften. Det är bara den stackars humlan och någon miljon andra bevingade insekter som behöver lite andra knep för att hålla sig uppe.

Men hur började det hela? Och när? J. H. McMasters förklarar att berättelsen var utbredd i tyska tekniska högskolor på 30-talet, och började i Göttingen, bland aerodynamikern Ludwig Prandtls studenter. En känd schweizisk aerodynamiker, vars namn man inte får reda på, pratade med en biolog på en middag. Biologen frågade om flygförmågan hos humlor, och den schweiziske gentlemannen gjorde en servettkalkyl enligt ovan. En platt, styv vinge och så vidare. Naturligtvis kom han fram till att lyftkraften var otillräcklig, och försökte att komma fram till en lösning.

Under tiden så spred biologerna nyheten, kanske för att visa att naturen var större än tekniken [fast här undrar jag om inte Zetie bara passar på att ge ett tjuvnyp åt en annan vetenskap än hans egen, i god akademisk tradition - övers. anm.], och massmedia hakade så småningom på. Sanningen hade, som så ofta, inte samma nyhetsvärde, så en korrigering har aldrig publicerats.

Mannen på bussen kan alltså fortsätta att berätta för mig att vetenskap är en massa smörja eftersom den en gång bevisade att humlor inte kan flyga. Och han låter sig icke resoneras med, särskilt inte av en forskare. Skulle han kanske lyssna på mig om jag blev journalist?

Ken Zetie arbetar på Clarendon Laboratory, University of Oxford

Bumble-humla

The Strange Case Of The Bumble Bee Which Flew

Ken Zetie

I get many strange reactions from people when I tell them I am a scientist. Frequently I'll be told by my new acquaintance that they were hopeless at science at school, or I'll be asked if I make atom bombs.

People, it seems, are frightened of science, so they take every opportunity to belittle it. They'd like to believe that science is all very well in the lab, and for making bombs, but it doesn't apply to "real life".

Michael Flanders summed it up beautifully when he said that he cannot understand scientists and they cannot understand anyone else; they must be spoken to in their own language:

"H2SO4 Professor! Don't synthesise anything I wouldn't synthesise! And the reciprocal of pi to your good wife!". Like most great humour, painfully close to the truth.

One favourite subject people raise is the old line about scientists having proved that the bumble bee cannot fly, a much-beloved piece of urban folklore. There it is, the humble Bombus Terristris, plainly flying around us all through the summer and those crazy know-all scientists with their noses in their test-tubes say it cannot possibly fly. What utter nonsense!

It is obvious to any scientist that the bumble bee can fly as experiment proves it. So what is this business about proving bees cannot fly? And who started it?

First let's look at the physics behind the story. If you are asked about flight the first thing you do is to use the equations which describe how much lift an object has. You compare the lift to the weight of the object.

If the lift is greater than weight then the thing can fly. Bumble bees are pretty big, weighing almost a gram, and have a wing area of about a square centimetre. Tot up all the figures and you find that it cannot generate enough lift at its typical flying speed of about one meter per second. But that doesn't prove bees cannot fly. It proves that bees with smooth, rigid wings cannot glide. Experiment has proven this too.

With the aid of dead bees and a little lacquer it is easy to show that they really cannot glide.

So how do they fly? Actually that turns out to be a very interesting question and one that reveals a lot of physics. Why do bees flap while jumbo jets have fixed wings? It is a question of size and this is revealed in a figure called the Reynolds Number.

Osborne Reynolds was a Victorian engineer who was interested in what happens when you place an object in a stream of liquid or gas. The number named after him is a ratio which tells us, for a particular object, how much lift you get compared to how much drag or resistance you get. A low Reynolds number means little lift for a lot of drag and a large Reynolds number means a lot of lift.

The Reynolds Number depends on the size of the wing. Bigger wings give bigger Reynolds numbers. Now if, again, you put in all the numbers you find that bees work at very low Reynolds Numbers (1000 or so for a honeybee, as little as 15 for the aphid-eating chalcid wasp).

This means that their flight is very inefficient because as a wing starts to move to create lift the drag holds it back.

It is fairly straightforward to show that birds can generate enough lift to fly once they are in motion with air flowing smoothly over their wings, but many of them would have great difficulty taking off. Small insects, according to this model, cannot fly at all.

(Reynolds did far more than simply develop the 'Reynolds number', he also has a fascinating theory about then the nature of the aether as being a 'dilatant' matrix, like wet sand which responds to matter in motion by loosening up..as matter slows its motion, the sand particles regather to hold it in place...totally beautiful and why the Reynolds files were posted at KeelyNet years ago, check out;

www.keelynet.com/energy/reynold1.txt
www.keelynet.com/energy/reynold2.txt
www.keelynet.com/energy/reynold3.txt )

Of course, all this proves is that the model is incomplete.

Some brilliant work by Torkel Weis-Fogh has shown us how small insects do fly and it has led to some rather neat insights into nature's cunning.

If you are small and want to fly you have a problem. The Reynolds Number is against you so you cannot glide and flapping is very hard work. A wing is a device which encourages the air to flow over it so that when it leaves the rear wing edge, the air moves downwards.

That produces a thrust upwards on the wing. A smoke-filled wind tunnel shows this beautifully with curling eddies of smoke flicking off the wing edges.

Unfortunately to make a good eddy takes time. The wing has to move a few times its own length to get things started. This makes it tricky if you are going to flap as the maximum travel of a wing is about its own length and very little lift is generated for most of the stroke.

Nature has come up with a number of interesting solutions to this problem of which the "clap-fling" is a good example.

When a small bird or insect wants to take off it needs a lot of lift. What it does is bring its wings together above its back so they clap, expelling air from between them.

As the wings are separated, air is drawn quickly in to fill the void. The wings are flung apart and lift is generated immediately as the air is already in motion in the correct way. You can hear the clap.

The characteristic whirring of a pheasant taking off is caused by its wings clapping. Almost 2000 years ago Virgil recorded in The Aeneid that a rock dove claps its wings as it takes off - a passage he stole from Homer but he added the bit about the clapping.

So in asking how bees fly we find that they are remarkably clever about it.

Aircraft can generate enough lift that they do not need such tricks, but they do need long runways. Birds get enough lift to fly but for take-off need a boost.

Just the poor old bee and about a million different species of winged insect need some extra trickery to stay aloft.

But how did it all start? Where does the story date back to? J.H.Mcmasters states that the story was prevalent in the German technical universities in the 1930's, starting with the students of the aerodynamicist Ludwig Prandtl at Göttingen.

The story he tells is that a noted Swiss aerodynamicist, whom he does not name, was talking to a biologist at dinner. The biologist asked about the flight of bees and the Swiss gentleman did a back-of-the-napkin calculation of the kind I described. Assume a rigid, smooth wing and so on. Of course, he found that there was insufficient lift and went away to find out the correct answer.

In the meantime the biologist put the word around, presumably to show that nature was greater than engineering, and the media picked it up. The truth, as now, wasn't newsworthy so a correction has never been publicised.

The man on the Clapham omnibus, therefore, continues to tell me that science is a load of crock because it once proved that bumble bees cannot fly. And he will not hear otherwise, especially not from a scientist. Perhaps if I became a journalist he might listen?

Ken Zetie, Clarendon Laboratory, University of Oxford