Энергетика полета птиц

Изучение метаболизма чаек и волнистых попугайчиков проводилось в аэродинамической трубе во время полета по горизонтали, с подъемом и со спуском Исследование показало, насколько экономно птицы могут расходовать «топливо».

Даже самые мелкие птицы не только часами находятся в воздухе, но и пролетают без остановки сотни и даже тысячи миль со скоростью, доступной лишь самым быстрым из наземных животных. Опре­делялся расход энергии у волнистых попугайчиков и смеющихся чаек, летящих с разными скоростями в аэродинамической трубе. Прямые данные полу­чены только для этих птиц, относящихся к тем не­многим видам, о которых подобная информация вообще имеется.

Скорость и длительность, делающие полет птиц столь интересным, в то же время затрудняют изме­рение энергетических затрат. Для определения рас­хода энергии при обычном полете и зависании при­менялись самые разные методы, в том числе аэродинамические расчеты, измерения потери веса во время полета, анализ выведения меченых ве­ществ, исследование потребления кислорода. По­следний метод точнее остальных, которые опи­раются на не очень достоверные предположения. Все эти приемы имеют один общий недостаток – они не позволяют изменять скорость, длительность и направление полета в эксперименте, а значит, и соотносить эти факторы с параметрами метабо­лических процессов.

Именно в этом и состоит преимущество исполь­зования аэродинамической трубы. В начале экспе­римента попугайчика или чайку помещают в испы­тательную камеру трубы таким образом, чтобы птица летела навстречу воздушному потоку. Так, можно заставить птицу лететь относительно движущегося воздуха с такой же скоростью, как в естественных условиях, и при этом она будет не­подвижной по отношению к экспериментатору. Экспериментатор мо­жет заставить птицу лететь быстрее или медленнее, варьируя скорость воздушного потока. Он может также устанавливать различную длительность поле­та и менять траекторию с горизонтальной на вос­ходящую или нисходящую.

Для имитации восходящей траектории трубу на­клоняют так, чтобы ее передний конец приподнялся. Птица летела в прозрачной маске, - выдыхаемый воздух собирался и анализировался (определялась скорость высвобождения энергии при расщеплении жиров и углеводов); измерялось количество потребляемого кислорода и выдыхаемой углекислоты. Согласно расчетам, 70 % энергии для полета дает расщепление жиров.

Затраты энергии на полет зависят от скорости полета и угла подъема. Про полете по горизонтали для волнистого попугайчика оптимальной была скорость 35 км/ч – затраты энергии при этом составляли 105 кал/г-час; при меньшей и большей скоростях – затраты энергии возрастали. При полете с подъемом затраты энергии возрастают и при полете со снижением – падают при увеличении скорости с 19 до 35 км/ч. Для чаек диапазон скоростей наиболее экономного полета 30-44,5 км/ч. при восходящем потоке чайки летели в трубе не более нескольких минут. Наблюдениями в природе эти данные были подтверждены – показатели скорости были близки к экспериментальным, а набор высоты для чаек более характерен именно с использованием восходящих потоков, а не машущих движений.

Данные исследований в аэродинамической трубе наводят на мысль о том, что птицы в естественных условиях могут экономить энергию, выбирая энергетически оптимальный маршрут. При оптимальных скоростях волнистый попугайчик расходует 1,1 % массы своего тела, сжигая жир, а чайки – до 0,55 %. Поскольку некоторые птицы способны накапливать жир в количестве до половины массы тела, то можно предположить, что этого хватает на десятки часов перелета. При крейсерской скорости 35-42 км/ч волнистый попугайчик тратит 0,05 % массы тела на 1,6 км пути. Оптимальная скорость при полете на дальность для этого вида – 41, 5 км/ч, включая подьем и снижение.

Эти данные подтверждают сведения о птицах, которые пролетают более 3000 км, не питаясь в пути (бурокрылая ржанка).

Эффективность полета птиц – отношение между затратами энергии и совершаемой работой. Т.е., - какая часть расходуемой энергии идет на совершение полезной работы?

В отличие от обычного показателя КПД – для птиц расчет эффективности логичнее будет соотнести изменение мощности на выходе при отклонении вниз или вверх от горизонтальной траектории и соответствующими изменениями затрат энергии (мощности на входе).

Для волнистых попугайчиков характерен высокий КПД на минимальной скорости при наборе высоты (более 50%). При увеличении скорости он падает до 15-18%. Высокий КПД при увеличении тяги на небольшой скорости вполне соответствует биологии попугайчиков, собирающих корм на земле и поднимающихся в воздух с большой скоростью на большую высоту. Благодаря высокой эффективности использования энергии на малых скоростях птица может подняться в воздух и достичь нужной скорости с минимальными затратами энергии.

Изучение КПД попугайчиков наводит на мысль, что полет некоторых дятлов и вьюрков с характерными частыми спусками и подъемами возможно, служит средством экономии энергии, - если КПД выше для подъема, чем для спуска, птица может экономить энергию, летая волнообразным полетом.

Удельные затраты энергии (перенос 1 г массы тела на 1 км) для летающих и бегающих животных неравнозначно, - летающие животные расходуют энергию более экономно. Наземные четвероногие равной массы затрачивают энергии в 10-15 раз больше.

Полет голубя более экономичен, чем полет легкого самолета, а полет казарки по удельным затратам энергии менее емок, чем у реактивного транспортного самолета.