Аэродинамика и механика полёта птиц.

Раздел: Наука о животных.. Дата (опубликованно): 28-05-2018 22:23; Комментарии: 2

Полет, что это? Штурвал в руке и пара педалей под ногами или ощущение управления воздухом, телом и трехмерным пространством? Перегрузка, вдавливающая в кресло, или дрожь вихрей воздуха на кончиках пальцев и плечах на вираже? «Покатушки» на дельтаплане или «обнимание» теплого потока воздуха, поднимающегося от земли? Холодный расчет конструктора или неторопливый шаг эволюции к совершенству? К сожалению, большинство из этих вопросов риторические. Природа создала птиц, чувствующих небо, человек — летательные аппараты, железки, которые в меру своих возможностей транспортируют его в воздушном океане. Летать самостоятельно он так и не научился, да и не научится. Полет в полном смысле и ощущениях так и останется давней и, к сожалению, совершенно неосуществимой мечтой человека. Своими силами ему в воздух не подняться. Мало того, отрасти у него крылья, он даже не смог бы удержать свой вес в воздухе. По крайней мере, пятьдесят отжиманий — одно из довольно сложных гимнастических упражнений, а для того чтобы взлететь, человеку потребовалось бы постоянно и крайне интенсивно совершать отжимания от воздуха на трехметровых крыльях. Представить размер и формы грудной мускулатуры такого спортсмена можно, если взглянуть на скульптуры монстров, украшающих собор Парижской Богоматери.

Аэродинамика и механика полёта птиц.

И проблема-то, в общем, не в мышцах, а в скорости работы или, как принято говорить в физике, в мощности мышц и всего организма в целом. Ну не может человек пробежать стометровку за три секунды, а для того чтобы взлететь, надо бегать именно так, причем постоянно. Желательно, кстати, на руках. Вот и приходится человеку седлать самые разнообразные летательные аппараты, которые предоставляют ему крылья и, как минимум, 10—20 лошадиных сил под тем самым седлом. Говорить об ощущениях полета в подобных машинах не приходится. Все эти ощущения опосредованы штурвалом, креслом и лямками возле него. Максимум на что может рассчитывать пилот, - это на упругость ветра между пальцами. Да и то, только в том случае, если выставит руку за кокпит, что не всегда рекомендуется. Вот и остаются людям мечты да сны, в которых они чаще всего летают не как птицы, а как воздушный шар, наполненный усилием воли.

Орлан-белохвост - одна из немногих птиц, которая по всем характеристикам и типу полета наиболее близка к самолетам.

И только дайверы различных мастей, давно забросили неосуществимую мечту покорения воздуха и с огромным удовольствием испытывают все ощущения полета в воде. Отсутствие веса, уходящие вниз водоросли и скалы, рельеф дна, парящие рыбы, легкость трехмерного перемещения — все как у пилота в самолете, только все это своими ногами, руками и силами. Но все это в воде, а ощущение полета в воздухе так и остается доступным лишь организмам, которые многим пожертвовали, чтобы летать. Например, птицы «пожертвовали» ради этого «руками», легкими, сердцем, костями и многим другим. И что было кардинально изменено эволюцией в угоду всего одной задаче - полететь. И как полетели, как полетели - на зависть всем аэродинамикам, авиаконструкторам и прочим выпускникам МАИ. И эта «доброкачественная» зависть, а может быть, просто тоска «о небе в ладони», постоянно поддерживает интерес людей к особенностям полета птиц.

Орлан-белохвост - большой рыболюб, а следовательно, обитатель крупных водоемов.

Взлет.

В начале взлета силы крыльев не хватает для разгона 12 кг живого лебединого веса и птица помогает себе ногами.

Самая сложная и загадочная часть полета. Чтобы крыло перестало быть передней конечностью и стало по-настоящему крылом, птице необходимо приобрести скорость. Стрижи и сипы решают эту проблему, просто прыгая с какого-то возвышения и набирая скорость в падении. Качурки и альбатросы разворачивают клюв на ветер, расправляют крылья и, еще находясь на земле или воде, уже начинают двигаться в воздухе. Но абсолютное большинство птиц все-таки способно покинуть землю, не прибегая к подобным ухищрениям, хотя, при возможности, несомненно, пользуется ими.

Крыло пошло вверх В этот момент его лучше немного сложить для снижения сопротивления воздуху.

Как происходит такой взлет? Часть обученного всем правилам аэродинамики населения земли, считает, что птицы взлетают подобно вертолету, хотя и признает, что ни одной «вращающейся части» у них нет.

Дополнительная подъемная сила может возникать и за счет грамотного расположения хвоста и тела.

Да, при взлете птица взмахивает крыльями и может показаться, что именно при резком их опускании возникает основная сила, толкающая птицу вверх. Однако не все так просто. При первом взмахе крылья птицы движутся не просто вверх, они смещаются еще и вперед. Что это дает? Я бы назвал эффект, возникающий в этот момент, эффектом Мюнхгаузена. Барон, помнится, выдергивал себя за голову из болота вместе с лошадью и хвастался, что умной головы для этого достаточно. Стоит с ним согласиться, пустая голова для этого подходит гораздо меньше полной. Но о бароне позже, сначала о птицах.

Движение, или, как говорят аэродинамики, кинематика крыла сложна. Так же как и сложны потоки воздуха, обтекающие его. При поднимании крыла, воздух «продавливает», маховые перья и стекает с них назад, создавая тягу, так необходимую для разгона.

Выдвигая крыло вперед при первом взмахе, птицы широко расставляют крайние, самые большие перья крыла (биологи их так и называют — маховые, да еще и первостепенные). Каждое такое перо само по себе крыло или, если хотите сравнить с вертолетом, лопасть. Таких лопастей у птиц по 10 на каждом крыле (у вертолета всего от двух до восьми). И каждая такая «лопасть» при движении вперед создает подъемную силу.

30 секунд и 50 м разбега позади.

В результате даже при первом резком выбросе крыла вверх и вперед птица зацепляется, а лучше сказать, прилипает «перьями-пальцами» к воздуху и просто вытягивает свое тело за крылом. Чем не мюнхгаузеновский способ покинуть грешную землю? (Кстати, решение вопроса о том, с какой скоростью должна двигаться голова барона весом в 1 кг, чтобы, схватившись за нее, можно было вытащить из болота бренное тело вместе с лошадью, оставляю читателю. Знаю одно: пустая голова должна двигаться быстрее умной).

Впереди небо. Осталось поджать ноги и продолжить свободный полет.

Полет.

Птица зависла в небе. Механика полета как при взлете. А если развернуться головой на ветер, то можно сэкономить много сил за счет «обнимания» потока воздуха.

Дальнейшие события при взлете - дело техники. Чем выше скорость, тем меньше нужны расставленные «маховые пальцы», скоро они складываются вместе, и крыло становится крылом самолета, а не винтом вертолета. Уже при скорости 3—5 м в секунду большинство птиц может спокойно планировать, не утруждая себя «вертолетными» проблемами, а просто опираясь на подъемную силу крыла. Однако хочешь не хочешь, а эту скорость надо поддерживать. Остается только выяснить, что толкает птицу вперед? Где зашиты в ней те самые моторы, винты, турбины, реактивные двигатели и прочая атрибутика, создающая тягу на произведениях авиационного искусства человека? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Кто-то из орнитологов считает, что тяга возникает в момент опускания крыла, кто-то — в момент поднимания. Как обычно все по-своему правы.

Полярная крачка - любительница рыбы и прекрасный во всех отношениях летун.

Первая точка зрения традиционна, но небезупречна. Действительно, махнул крылом вниз, подвернул его при этом чуть назад - и «дал тягу». Но так бывает только тогда, когда именно махнул крылом. Махнул, а не двинул. Беда в том, что от глаз и сознания человека часто скрывается то, что птица при движении в воздухе уже не машет крыльями, а все-таки двигает ими, так же как плывущий человек не машет, а гребет руками. С этой точки зрения тяга при опускании крыла совсем необязательна, особенно если учитывать, что именно при движении крыла вниз оно работает как плоскость, создающая подъемную силу. Другое дело, совершенно нелепое, с точки зрения человека, движение крыла вверх. Оно кажется бесполезным — разве что вернуть крыло в удобное и необходимое положение. Однако именно при этом движении птица за счет наклона крыла создает тягу внешней его частью. Крыло-то идет вверх, а вот воздух, стекающий с него, устремляется назад и дает ту самую тягу. Так что поднимание крыла не совсем бесполезное занятие, в этот момент оно по сути, превращается в винт самолета. Способов управления полетом у птицы масса. Пока она планирует или парит, ее механика и действия мало чем отличаются от механики аэроплана и действий пилота. Те же закрылки, предкрылки и элероны, те же рули высоты. Наверное, и те же навыки-рефлексы. Захотел полететь помедленнее - выставь закрылки или раздвинь маховые. Захотел повернуть - выдвигай элероны или делай так, чтобы одно из крыльев подтормаживало. Выше, ниже? Нет проблем, работай хвостовым оперением. Главное при этом не свалиться в штопор, чтобы поток воздуха не сорвался с верхней поверхности крыльев, ведь вопреки распространенному мнению, основная подъемная сила действует на крыло сверху, а не снизу. Чем быстрее и ровнее поток воздуха, обтекающий эту сторону крыла, тем лучше оно к нему «прилипает». Именно поэтому верхняя поверхность крыльев птиц покрыта более плотным и прочным пером.

Время of времени птица может превращать свое тело в единое летающее крыло.

Вся эта механика управления полетом теперь стала доступна в понимании не только летчикам, но и рядовым «пилотам» персональных компьютеров, проводящим свободное время за штурвалами различных FLY-симуляторов. Но это механика негнущегося крыла. У птиц крылья гнутся, каждое перо почти крыло, а все «осмысление» полета зашито с рождения в мозжечке. И думаю, им было бы так же интересно поиграть в симулятор ходьбы человека, как нам в симуляторы полета. Особенно если ходьбу разложить на составляющие, как полет, а потом долго получать из этих составляющих нечто цельное. И все-таки в запасе у птиц остаются режимы, которые человеком до сих пор не освоены. Зависание, или, как его еще называют, трепетание на месте - поведение, доступное крачкам, чайкам, колибри, некоторым хищным и многим другим птицам, и совершенно недоступное, например альбатросу, как классическому представителю «самолетной идеи» в творчестве эволюции. Механика та же, что и при взлете, только движения вперед нет. Вот она настоящая борьба за выживание в небе. Это вам не воздух рубить лопастями. Каждый вихрь, каждая аэродинамическая закорючка или поток становятся значимыми и каждую из них надо почувствовать и опереться на нее. Высочайший класс полета, экзамен на зрелость в эволюции летающих животных. Овладевший им по определению не падает. Единственная проблема - огромные затраты энергии на подобное поведение. Все-таки птице оно обходится как минимум в 1,5 раза дороже, чем полет по прямой, и в 16 раз, чем планирование или сидение на ветке.

Не путайте полярную крачку с чайками, у которых никогда не бывает столь стройного облика и хвоста с длинной «вилочкой».

Посадка.

Клуша, довольно крупная чайка - обитательница морских побережий. Отличная летунья, часто использующая порывы ветра, для экономии энергии в полете.

И последнее - приземление, хотя в применении к птицам это слово лучше заменить на слово посадка. Любой пилот знает, что без автопилота попасть на «нитку» посадочной полосы длиной 2 км и шириной 50 м достаточно сложно. Что уж говорить о попадании на ветку дерева, раскачивающуюся на ветру. Это уже мечта не летчика, а спортсмена-парашютиста, всю жизнь старающегося попасть в кружок на земле. В жизни птиц это обыденное явление.

Классический пример «мюнхгаузеновского» взлета. Выдергивание тела из воды за счет «прилипания» крыла птицы к воздуху.

Какой тип приземления выбирает птица — «самолетный» или «вертолетный», во многом зависит от особенностей ее жизни. Птицы, живущие на открытых и особенно водных пространствах, не утруждают себя переходом на вертолетный режим при посадке. Выдвинул «закрылки-махи», задрал передний край крыла вверх, выпустил ноги, скользнул или пробежал по поверхности, и приземление или приводнение состоялось. Лесные виды себе этого позволить не могут. Для того чтобы попасть на ветку, им необходимо остановиться перед ней еще в воздухе, а это значит, что при каждой посадке надо опять «становиться вертолетом».

5 секунд после взлета. Полет серой цапли еще не уравновешен. Чтобы подвести центр масс под центр крыла и не «клюнуть» в воздухе, ей придется , вытянуть ноги и согнуть шею.

Кстати преобладание того или иного типа полета в жизни птицы довольно легко определить по строению ее крыльев. У «птиц-самолетов» они длинные, часто с заостренными концами, по которым стекают паразитные вихри, образующиеся на крыле. У «птиц-вертолетов» — короткие, с широким краем. Существует предположение, что вихри, образуемые таким крылом, используются птицей как точки опоры в полете. Однако большинство подобных предположений до сих пор так и остаются предположениями, так как проверить их крайне сложно. А потому и вопросов к полету птиц у человека гораздо больше, чем ответов. А может быть, на эти вопросы и не стоит отвечать? Ведь даже создание махолета вряд ли добавит что-то новое к чувству полета у человека, а природа, вследствие физических запретов, не может создать активно летающий теплокровный организм более 20 кг весом. Так же как и не может наделить его скоростью и грузоподъемностью разнообразных Ту, Илов, Боингов и Дугласов, прекрасно справляющихся с массой утилитарных задач. И все же, за несколько миллионов лет кропотливой работы она создала птиц, для которых чувство воздуха стало основным инстинктом. За это чувство стоит бороться и отвечать на те самые вопросы. И пусть новое знание будет для человека в основном виртуально. Может, мы и не научимся летать, но сопереживать полету никто не запрещал. И если человеку хоть раз в жизни приснится сон, в котором он ощутит воздушные вихри на кончиках пальцев и сможет опереться на них, значит труд исследователей был потрачен не зря. Ведь в индивидуальном жизненном опыте такое ощущение будет более значительным, чем комфортабельное пересечение Атлантики на совершенном во всех отношениях произведении человеческого разума.

Посадка. Изломы крыла и невероятная «осанка» птицы - лишь выполнение требований аэродинамики при переходе от самолетного режима полета к вертолетному.