Насекомые обычно не разбиваются при падении прежде всего из-за очень малой массы. Воздух заметно тормозит их, поэтому они достигают сравнительно небольшой предельной скорости, а при столкновении несут мало кинетической энергии. Кроме того, маленькое тело относительно прочно, а наружный скелет и подвижные конечности помогают распределить нагрузку. Однако это не абсолютная защита: крупное насекомое можно травмировать падением, особенно при неудачном ударе о твёрдую поверхность.
Что происходит с падающим насекомым
Сразу после начала падения сила тяжести ускоряет насекомое вниз. Одновременно воздух оказывает сопротивление, направленное против движения. Чем быстрее движется тело, тем сильнее становится это сопротивление. В какой-то момент оно может уравновесить вес, после чего ускорение прекращается и скорость почти перестаёт расти. Такая установившаяся скорость называется предельной, или терминальной.
В вакууме, где нет воздуха, лёгкие и тяжёлые тела падали бы с одинаковым ускорением. Но в обычной атмосфере размер, форма, масса и положение тела сильно влияют на движение. Для муравья или небольшого жука сопротивление воздуха велико по сравнению с его весом. Для человека тот же воздух на первых метрах падения оказывает относительно гораздо меньшее влияние.
Некоторые насекомые дополнительно увеличивают сопротивление, расправляя крылья, разводя ноги или меняя положение тела. Но даже насекомое без крыльев получает важное преимущество просто благодаря малому размеру и небольшой массе.
Почему воздух тормозит маленькое тело эффективнее
Причину удобно объяснить законом квадратов и кубов. Представим два геометрически подобных тела, одно из которых в десять раз короче другого по каждой стороне. Площадь его поверхности и поперечного сечения уменьшится примерно в сто раз, а объём и масса при одинаковой плотности – примерно в тысячу раз. Влияние масштаба на этот эффект подробнее объясняет статья почему насекомые маленькие.
Сила тяжести связана с массой, а сопротивление воздуха во многом зависит от площади, обращённой навстречу потоку. Поэтому при уменьшении тела его вес убывает быстрее, чем площадь. У маленького животного получается большая площадь относительно массы. Воздуху легче затормозить такое тело, чем крупное и тяжёлое.
Это можно заметить на простом примере с бумагой. Плоский лист падает медленно, потому что встречает воздух большой площадью. Если скомкать его в плотный шарик, масса почти не изменится, но площадь, обращённая к потоку, станет меньше, и падение ускорится. Тело насекомого не похоже на лист, однако соотношение массы и площади работает в его пользу.
Небольшая предельная скорость
Предельная скорость возникает не только у парашютиста. Её достигают капли, семена, пылинки и животные. Она зависит от массы тела, площади его поперечного сечения, формы, плотности воздуха и характера обтекания. Чем меньше масса при сравнительно большой площади, тем ниже обычно оказывается предельная скорость.
Поэтому насекомое довольно быстро перестаёт заметно разгоняться. После этого увеличение высоты уже не приводит к постоянному росту скорости удара. Если предельная скорость достигнута, падение с ещё большей высоты лишь длится дольше.
Это не означает, что высота совсем не важна. При падении с нескольких сантиметров насекомое может не успеть набрать даже свою небольшую предельную скорость. По мере увеличения высоты скорость сначала растёт. Но затем сопротивление воздуха ограничивает её. У человека предельная скорость намного выше, а энергии при столкновении несравнимо больше, поэтому прямое сравнение человеческого и муравьиного падения вводит в заблуждение.
Почему удар получается слабым
Опасность столкновения определяется не только скоростью. Важна кинетическая энергия движущегося тела, которая зависит от массы и квадрата скорости. Даже если маленькое насекомое падает достаточно быстро по меркам длины собственного тела, его масса остаётся крошечной. Следовательно, при остановке нужно рассеять очень мало энергии.
Есть и ещё одна полезная величина – импульс, равный произведению массы на скорость. Чем он меньше, тем меньший суммарный толчок требуется для остановки. Ноги могут согнуться, тело слегка отскочить или перевернуться, а поверхность – немного деформироваться. Все эти движения увеличивают время торможения и уменьшают максимальную силу, действующую на отдельные части тела.
Именно поэтому выражение «падение с высоты во много тысяч длин тела» звучит страшнее, чем описываемая физическая нагрузка. Число собственных длин удобно для сравнения размеров, но оно ничего не говорит напрямую об энергии удара.
Маленькое тело относительно прочнее
Масштабирование помогает и при самом столкновении. Масса геометрически подобного тела растёт примерно как куб его длины, а площадь поперечного сечения опорных частей – как квадрат. Поэтому крупному животному приходится поддерживать и останавливать намного больше массы относительно размеров костей или других несущих структур. Та же геометрия лежит в основе ответа на вопрос, почему насекомые кажутся такими сильными.
У насекомого нагрузка от собственного веса мала по сравнению с размерами элементов наружного скелета. В этом смысле маленькие животные относительно прочнее больших. Это не значит, что их покров невозможно повредить, но обычное приземление создаёт нагрузку, с которой тело часто справляется без разрушения.
Наружный скелет насекомого состоит из кутикулы. Он служит опорой, защищает внутренние органы и даёт места прикрепления мышцам. Сочленения между сегментами остаются подвижными, поэтому конечности способны сгибаться при контакте. У разных видов строение сильно различается: плотный покров жука, тонкое тело комара и мягкая личинка переносят удар не одинаково. Общим преимуществом остаётся малая энергия, которую нужно погасить.
Помогают ли крылья и поведение
Летающее насекомое часто не просто пассивно падает. Оно может раскрыть крылья, восстановить положение тела и перейти к управляемому полёту. Даже короткое раскрытие крыльев повышает сопротивление воздуха и уменьшает скорость снижения. Нелетающие виды могут разводить ноги, цепляться за растения или приземляться на несколько конечностей.
Однако способность пережить падение нельзя объяснять только быстрыми рефлексами. Мёртвое небольшое насекомое или лёгкий предмет сходной формы тоже тормозится воздухом. Поведение улучшает результат, но фундаментальная причина связана с масштабом: малой массой, большой относительной площадью и небольшой энергией столкновения.
Исследования столкновений комаров с каплями дождя показывают, насколько важна малая масса. Капля может быть тяжелее комара и двигаться быстро, но при свободном столкновении насекомое нередко уносится вместе с ней, а не принимает всю нагрузку как закреплённая мишень. Этот пример не тождествен падению на землю, однако он хорошо показывает, что лёгкое подвижное тело реагирует на удар иначе, чем массивное и неподвижное.
Всегда ли насекомое переживает падение
Нет, слово «обычно» здесь принципиально важно. Результат зависит от вида, размера, стадии развития, состояния животного, положения тела и поверхности. Тяжёлый жук уязвимее к удару, чем крошечный муравей. Повреждённое или недавно перелинявшее насекомое может иметь менее прочный покров. Острый край способен проколоть тело, а липкая или водная поверхность создаёт опасности, не связанные напрямую с силой удара. Условия, при которых отдельные древние формы достигали больших размеров, разобраны в статье о крупных древних насекомых.
Имеет значение и способ столкновения. Удар о твёрдый пол резче, чем о листья, рыхлую землю или мягкую подстилку. Если насекомое падает вместе с тяжёлым предметом, оказывается придавлено или попадает под струю с последующим ударом о поверхность, его малая масса уже не гарантирует безопасности. Крылья и тонкие конечности могут ломаться даже тогда, когда основные части тела остаются целыми.
Наконец, «не разбилось» не всегда означает «совсем не пострадало». Незаметное внутреннее повреждение, потеря ноги или нарушение полёта могут снизить шансы животного на выживание позднее. Поэтому корректнее говорить не о полной неуязвимости, а о высокой устойчивости многих небольших насекомых к обычным свободным падениям.
Коротко о главном
Насекомое обычно переживает падение благодаря сочетанию физических причин. При малой массе сопротивление воздуха велико относительно веса, поэтому предельная скорость невысока. Масса и скорость определяют небольшую энергию удара, а относительно прочное сегментированное тело и сгибающиеся конечности помогают эту энергию рассеять. Чем насекомое крупнее и чем жёстче и опаснее поверхность, тем меньше оснований считать падение безвредным.
