Аэродинамика полета птицы

С помощью киносъемки удалось показать, что птица не толкает себя вперед, ударяя крыльями на­зад. Крылья, опускаясь, одновременно смещаются вперед, а не назад. В то время, когда птица подни­мает крылья, она не теряет высоты, как можно бы­ло бы ожидать, а плавно летит на одном уровне.

Воздух, подобно всякому другому газу, имеет вес и давит на любую поверхность погруженного в нею тела -сверху вниз, снизу вверх и по напра­влению внутрь со всех сторон (на уровне моря да­вление воздуха равно 760 мм рт. ст.). Поэтому воз­дух будет создавать силу, поддерживающую полет, если летящий объект сможет каким-то образом снизить давление на верхнюю поверхность до вели­чины, меньшей, чем подъемное давление снизу, и уменьшить давление на переднюю поверхность или увеличить -на заднюю. У птиц и самолетов это достигается с помощью надлежащей формы крыль­ев и пропеллеров, с помощью которых они могут двигаться вперед под нужным углом и с необходи­мой скоростью.

Аэродинамические проблемы можно исследо­вать, обдувая тот или иной объект в трубе дымом, который делает токи воздуха видимыми. Струя ды­ма, наталкиваясь на препятствие, не обтекает его плавно около поверхности и не смыкается сразу же позади него. Вместо этого струя разбивается и от­клоняется от преграды таким образом, что воздух уже не давит на все поверхности обтекаемого им тела с одинаковой силой. Кроме того, воздушная струя смыкается позади препятствия, лишь пройдя какое-то расстояние, так что давление на его за­днюю поверхность уменьшается. Остается несораз­мерно повышенное давление на переднюю поверх­ность, которое называют «лобовым сопротивле­нием», если движется не воздух, а находящийся в нем объект.

Обобщенная схема структуры аэродинамического следа за летящей воробьиной птицей

Предположим, что мы заполнили чем-то про­странство, которое оставалось свободным, когда струи воздуха отклонялись, обходя первоначальное препятствие. Воздушные потоки теперь плавно об­ходят получившийся новый объект, и давление с разных сторон распределяется более равномерно. Лобовое сопротивление уменьшилось. Мы сделали форму препятствия «обтекаемой». Слегка изменяя конфигурацию нашего предмета, мы можем изме­нять относительное давление на его различные по­верхности. Давайте сделаем нижнюю сторону чуть более плоской и уменьшим таким образом откло­нение воздушной струи вниз. Теперь давление на нижнюю поверхность, направленное вверх, более близко к нормальному, а давление на верхнюю по­верхность., направленное вниз, остается по-прежне­му ниже нормы. Давление снизу больше, чем давле­ние сверху! Если обтекаемая модель достаточно легка, движущийся воздух будет поднимать ее. Это уже прообраз крыла.

Если передний край этого примитивного крыла отклонить совсем немного кверху, так что воз­душный поток будет уже в какой-то мере прямо на­бегать на нижнюю поверхность, подъемная сила увеличится. Чем больше отклонено крыло, тем больше будет эта сила - но до определенного мо­мента. Как только угол наклона приблизится к пря­мому, давление на нижнюю поверхность начнет толкать крыло назад, а не вверх. В конце концов, если крыло самолета наклонить чересчур сильно, подъемная сила исчезнет, а лобовое сопротивление настолько возрастет, что самолет остановится — произойдет то, что в авиации называют «потерей скорости». Самолет должен снова обрести пра­вильный угол наклона и скорость, иначе он разобь­ется.

Если у нас уже есть обтекаемое крыло, то сле­дующий шаг, необходимый для полета, состоит в том, чтобы двигать его в воздухе достаточно бы­стро для создания подъемной силы. Этого мы до­стигаем, снабдив машину пропеллером, который является, по существу, разновидностью крыла, но его «подъемная» сила направлена вперед, а не вверх. Лопасти пропеллера работают лучше, если их форма и угол наклона несколько иные, чем у крыла, но принцип их работы тот же.

Таким образом, мы имеем единый в своей осно­ве механизм, который в одном случае удерживает самолет в воздухе, а в другом – продвигает его впе­ред. Теперь, если мы рассмотрим анатомию птицы, мы обнаружим точно такой же механизм, исполь­зуемый теми же двумя способами.

Крыло птицы состоит из двух отделов, выполняющих две совершенно разные функции. Оно подразделяется на внутреннюю (проксимальную) половину, приводимую в движение мускулатурой плечевого сустава, и наружную (дистальную), кото­рая независимо поворачивается около «запястья», лежащего посередине длины крыла. Внутренняя часть крыла ответственна почти исключительно за создание подъемной силы. Она довольно жестко удерживается под небольшим углом, подобно кры­лу самолета, и имеет такую же обтекаемую форму: дугообразно изогнутые кроющие перья образуют искривленную поверхность.

На переднем краю запястья, где соединяются внутренний и наружный отделы крыла, есть неболь­шая группа перьев, называемая крылышком. У птиц она служит дополнительным профилем, по­могающим при взлете и приземлении. Птица мо­жет приподнимать крылышко, и при этом между ним и остальными перьями крыла образуется щель. Без крылышка птица не в состоянии благополучно взлетать и приземляться.

Ну, а где же пропеллер? Это может показаться удивительным, но каждая птица имеет пару пропел­леров, хотя они далеко не сразу бросаются в глаза. Действие их лучше всего можно рассмотреть при замедленной демонстрации соответствующих кино­кадров. Во время движения крыльев вниз маховые перья первого порядка на их концах образуют почти прямой угол к остальной части крыла и траектории полета. Это и есть пропеллеры. При каждом взмахе они принимают такую изогнутую форму только на доли секунды, но эта способность крыльев изменять форму и есть основа полета птицы. Такая способность крыльев автоматически регулировать свои форму, приспосабливаясь к давлению воздуха и аэродинамическим требованиям в разных фазах цикла полета возможна благодаря особенностям строения пера.

У маховых перьев в результате асимметричности опахала создается сила, закручивающая перо наподобие пропеллера. При опускании крыла давление воздуха на широкую сторону опахала поворачивает перья вверх до тех пор, пока крыло не приобретет форму и угол наклона, необходимые для пропеллерной функции. Перья не прикреплены к крылу неподвижно, а удерживаются гибкой перепонкой, предоставляющей каждому перу значительную свободу передвижения. Т.о., птица летит, не затрачивая особых усилий, только поворачивая концы перьев наподобие пропеллера. Если птица спешит и ударяет крыльями по воздуху с большой силой – вся наружная часть крыла от запястья может закручиваться под давлением воздуха в один большой пропеллер.

При опускании крыла этот пропеллер движется вниз и вперед, при подъеме – вверх и назад.

Внутренняя часть крыла удерживается горизонтально, сохраняя угол, обеспечивающий необходимую подъемную силу. Т.о., внутренняя часть работает как плоскость, а наружная – как пропеллер. Рулевым устройством служит хвост, который может складываться и раскрываться, отклоняться вниз, вверх и в стороны.