Hükümdar kelebekleri kış uykusuna yatmak için kuzey ABD veya Kanada’dan orta Meksika’ya yaklaşık 4000 km göç ederler ki bu, kendi türlerindeki diğer hiçbir türle kıyaslanamayacak bir göç şeklidir. Böylesine uzun bir yolculuk ilk başta tuhaf görünür: Kelebekler vücutlarına oranla kısa, geniş ve büyük kanatlara sahip tek uçan canlılardır. Ancak, uygun rüzgâr akımlarını yakalamak için yeterince yüksekte uçmaktan daha fazlası bu başarıya katkıda bulunmuş olabilir.
Yunanca “pullu kanat” anlamına gelen Lepidoptera, kelebekler ve güveler için kullanılan bilimsel sınıflandırmadır. Kelebeklerin kanatları, her iki tarafını da kaplayan bir milyondan fazla mikroskobik pul içerebilir. Pulların şekli değişiklik gösterse de normalde 0,1 mm kalınlığa sahiptirler. Pullar böcekleri kuru tutmanın yanı sıra, onlara yırtıcılardan kaçınma, sıcaklığı kontrol etme ve çiftleşme çekiciliğine yardımcı olan ayırt edici renk desenini de verir. Ek olarak, mikro geometrisi deri sürtünme sürtünmesini %45’e kadar azaltabilir.
Böcek kanat tasarımları büyük ölçüde değişiklik gösterir ve boyut, uçuş verimliliğinde önemli bir role sahiptir. Sinekler (200 Hz) gibi daha küçük kanatlı böcekler daha yüksek kanat çırpma frekansları kullanırken, hükümdarlar (10 Hz) gibi daha büyük böcekler daha düşük frekanslar kullanır. Hükümdarlar da dahil olmak üzere kelebeklerin çoğu yerden sadece birkaç metre yükseklikte uçar, ancak göç sırasında hükümdarların 1 km’den fazla yüksekliğe çıktıkları ve buradan rüzgar akımlarında kilometrelerce süzüldükleri görülmüştür. Yere yakın seyrederken ve kanatlarını çırparken 5 m/s’ye kadar uçabilirler, bu da dünyanın en hızlı adamı Usain Bolt’un hızının yaklaşık yarısıdır.
Araştırmacılar 2017 yılında gerçekleştirdiğimiz bir projenin parçası olarak, kral kelebeklerinin kanat çırpma hareketlerini ve yörüngelerini önce pulları açıkken sonra da pulları kapalıyken inceledi. Öncelikle deney, bir böceğin uçmak için pullara ihtiyacı olduğu fikrini çürüttü. Daha da önemlisi, kuş tüylerine benzer şekilde kanada tutturulan pullar nazikçe çıkarıldıktan sonra bir kelebeğin ağırlığı ortalama olarak yalnızca %9,5 oranında azaldı.
Bununla birlikte, 11 örnek ve 200’den fazla uçuşu içeren bir çalışmada, pulların çıkarılması bir hükümdarın ortalama tırmanma verimliliğini ortalama %32 oranında azaltmıştır. Pullar, kanadın aerodinamiğini geliştiren küçük odacıklar oluşturan özel ve faydalı bir tasarıma sahiptir.
Kelebeklerin Uçuş Aerodinamiği
Şekilde, kanat çırpma uçuşu sırasında bir kelebeğe etki eden dört temel kuvveti göstermektedir: kaldırma (L), karşı ağırlık (W), itme (T) ve sürükleme (D). Kanatlar bunlardan üçünü üretir: kaldırma, itme ve sürükleme. Böceğin tırmanabilmesi için kaldırma ve itme gücünün, ağırlığından ve sürükleme gücünden daha fazla olması gerekir. Ayrıca, kanatlarla temas halindeki hava kanatlara basınç ve kesme gerilimi uygular, bu da kanatların net kaldırma, itme ve sürükleme alması için tek yöntemdir.
Böcek uçarken her bir kanadın üzerinden geçen hava tarafından bir ön-kenar girdabı oluşturulur. Dönen akış tarafından girdabın içinde düşük basınç oluşturulur ve kanat boyunca ortaya çıkan basınç farkı hem kaldırma hem de itme kuvveti üretir. Kayma gerilimi sürüklenmenin ana nedenidir.
Kelebeklerin farklı uçuş şekilleri 2020 yılında Christoffer Johansson ve Per Henningsson tarafından ağır çekim kameralar ve akış ölçümleri kullanılarak tespit edildi. Esnek kanatların birbirine kenetlendiği ve aralarındaki sıkışmış havayı sıkıştırdığı yukarı strokun sonunun, itiş gücünün en çok üretildiği zaman olduğunu keşfettiler. Üç boyutlu, karmaşık ve düzensiz hava akışının hepsi mümkündür. Planör uçuşunda, kanat üzerinde hareket eden viskoz havanın neden olduğu deri sürtünmesi veya kesme gerilimi, toplam sürükleme kuvvetinin neredeyse yarısını oluşturur. İndüklenmiş sürükleme olarak da bilinen wake vortekslerde geride kalan enerji de bir diğer önemli faktördür.
Hükümdarların süzülme oranının ihtiyatlı bir tahminle 4:1 olduğu tahmin edilmektedir. Süzülme uçuşu sırasındaki deri sürtünmesi, en hafif tabirle, kaldırmanın %10’unu veya daha azını oluşturabilir. Kelebekler, en azından süzülme oranı yaklaşık 17:1 olan bir Boeing 747 ile kıyaslandığında, düşük en-boy oranlı kanatları nedeniyle verimsiz uçarlar. Eğer deri sürtünmesini azaltmanın bir yolu olsaydı, hükümdarlar hafif gövdeleri ve büyük kanatlarıyla havada çok daha az dirençle manevra yapabilirlerdi.
Kelebeklerin Hava ile Sürtünmesi
Bir kelebeğin kanadındaki deri sürtünmesine neden olan şey, kanat ve çevresindeki hava arasında bir hız farkına sahip pürüzsüz viskoz akış bölgesi olan laminer bir sınır tabakasının gelişmesidir. Akışkanlar mekaniğinde kaymama koşulu olarak adlandırılan durum, kanat boyunca hava hızının kanat yüzeyi ile çakışması gerektiğini belirtir. Ancak ölçekle oluşturulmuş mikro boşlukların varlığı, havanın kanat yüzeyiyle nasıl etkileşime girdiğini değiştirir.
Ölçeklerin altındaki boşluklarda Reynolds sayısı (atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranı), ölçeklerin küçük boyutu ve üzerlerindeki viskoz hava akışı nedeniyle 10’dan azdır. Düşük Reynolds sayısı nedeniyle akış sabit ve düzenlidir. Reynolds sayısı yükselirse, akış kararsız hale gelmeye başlayacaktır. Grubum, havayı yüksek viskoziteli mineral yağla ve terazileri de terazilerin boyutunu üç katına çıkaran fabrikasyon plakalarla değiştirerek, laboratuvarda bu düşük Reynolds sayılı akışı yeniden yaratmayı başardı. 22° ve 45° arasındaki boşluk duvarı açılarını kullanarak, ölçek yüzeyinin biyolojik esinli modellerini araştırıldı.
Sıvı pul sıralarına enlemesine pulların boşlukları üzerinden akarken küçük girdaplar yakalanır. Bu küçük hava tekerlekleri dış akıştan bağımsızdır ve neredeyse kanat yüzeyi ile birleşir. Bu gerçekleştiğinde, dış akış yüzey üzerinden atlama potansiyeline sahip olur ve kaymazlık gerekliliğini kısmen geçersiz kılar. Laboratuvar sonuçları, uçuş sırasında bir kelebeğin pullarının karşılaştığı düşük Reynolds sayılı akış için, pürüzsüz bir yüzeye kıyasla deri sürtünme sürüklemesinde en az %26 ve %45’e varan bir azalma olduğunu göstermiştir.
En son bulgularımıza göre, boşluk Reynolds sayısı 10’dan önemli ölçüde yüksek olduğunda (80 veya daha fazla), küçük girdaptaki akış düzensizleştiği ve üzerindeki dış akışla birleştiği için olumlu etki ortadan kalkmaktadır. Bu nedenle, bir kelebeğin kanatlarındaki küçük ölçekler, böceğin tipik uçuş hızlarını mükemmel bir şekilde karşılar. Eğer pullar önemli ölçüde daha büyük olsaydı, daha büyük bir boşluk Reynolds sayısı üretecek ve uçuş verimliliğini artıran akış kontrol mekanizmasını kaybedecekti.
Kaynak: Physics Today
