На аэродинамические свойства птицы в полете не влияют перья какие

Аэродинамика птиц и насекомых

(статья из журнала Наука и Техника, от августа 1964 г.)

Еще не так давно
многие, даже выдающиеся ученые, считали, что ни одно тело, которое тяжелее
воздуха, .не может летать, а птицы, благодаря горячему воздуху под наружным
слоем перьев, являются чем-то наподобие маленьких баллонов…

В настоящее время о
механике полета можно судить по тяжелым самолетам и ракетам. Несмотря на это,
полет живых существ постоянно является предметом, вызывающим большой интерес,
предметом многочисленных исследований.

Научному исследованию
полета птиц начало положил Леонардо да Винчи. Работали в этой области и
великие русские ученые Циолковский и Жуковский. Целый труд «а эту тему написал
и польский исследователь Джевецкий.

В прошлом интерес к
полету птиц и насекомых вытекал из желания изведать тайну их полета и построить
по их образцу искусственное летающее устройство. Однако развитие авиации пошло
по пути использования неподвижных несущих поверхностей и тяги, которую создают
вращающиеся воздушные винты или выбрасывание газов реактивным или макетным двигателем.
Сейчас главный интерес представляют собой другие проблемы, особенно вопросы
экономии полета живых организмов, главным образом насекомых, которые при помощи
маленьких крылышек могут поднимать в воздух -относительно большие тяжести.

Мысленно углубляясь в
эти -полеты и их летные качества и делая выводы для возможного построения на их
основе летающих аппаратов, нужно помнить о проблеме величины и масштаба:относительная               мощность

мышц возрастает, в то
время как тело животного уменьшается. Это происходит потому, что мощность мышц
изменяется как площадь их сечения, а объем (следовательно, и тяжесть) — как куб
линейного размера.

Но, с другой стороны,
маленькая птица или насекомое должны преодолевать большее сопротивление,
обусловленное маленьким телом и вследствие липкости воздуха, обтекающего его
поверхность. Возьмем в качестве примера куб равный 1 м3. Его поверхность
составляет 6 м2. Если его разрезать на восемь маленьких кубов, то поверхность
каждого из них составит

0,5 м • 0,5 м • 6=1,5
м2

— значит, она
уменьшилась по отношению к первичному -кубу только в четыре раза. В результате
относительного роста мощности мышц, с одной стороны, и увеличения
сопротивления, с другой стороны, муха может поднять в воздух 200 процентов
собственного веса, птица — 100, самолет — 50 процентов.

Птица – насекомое – самолёт

Для сравнения полета
в природе с искусственным полетом, осуществляемым при помощи технических
средств, лучше всего будет рассмотреть «эффективность» действия крыльев, то
есть указать количество тяжести, какое способна поднять в воздух единица
поверхности крыльев. Ниже приводится таблица нагрузки поверхности крыльев
разных птиц, то есть выраженная килограммами тяжесть, которая могла бы быть
поднята в воздух на 1 м2 поверхности крыла.

Из таблицы видно, что
маленькие птицы имеют       относительно
небольшую нагрузку, зато большие, как, например, альбатрос, несмотря на большой
размах крыльев, на 1 м2 поднимают по 11 —19 килограммов. Величина нагрузки
крыльев для насекомых сходна с нагрузкой для птиц вопреки предположению, судя
по внешности, — что нагрузка их крылышек очень большая.

Как видно, кроме
шмеля, нагрузка у насекомых меньше, чем у птиц. Что касается скорости полета
насекомых (скорость полета птиц дана в особой таблице), то точных данных не
имеется. Исследования полета мух показали скорость около 3 м/сек, то есть 11
км/час. Стрекоза развивает среднюю скорость 25 км/час, хотя имеются сведения,
что она может развить скорость свыше 100 км/час (27,8 м/сек). Интересно будет
также сравнить частоту движения «взмахов» крыльев птиц и насекомых.

Тут следует отметить,
что поднятие крыла у птиц происходит быстрее, чем опускание, а у насекомых —
наоборот. Для сравнения можно сказать, что авиационные воздушные винты делают в
среднем 30—50 оборотов в секунду. И, наконец, последней сравнительной величиной
является количество килограммов, поднятых в воздух единицей мощности двигателя.
Эта величина называется нагрузкой мощности. Для птиц количество килограммов на
1 л. с. мощности составляет:

Для самолетов
нагрузка мощности составляет 5 — 7 кг/л. с. Разница в пользу птиц, как видно,
огромная! Указать нагрузку мощности для насекомых — дело трудное, так как нет
необходимых данных, что, очевидно, нетрудно понять, если учесть небольшие
размеры насекомых. Что касается указанной мощности птиц, то ее измеряли многие
ученые. Методы, которыми при этом пользовались, не вызвали бы восхищения у
членов Общества друзей животных. Что ж, там эти несчастные птицы были жертвой
науки!

Исследователь
насекомых Джорданоглу, описывая полет насекомых, указывает, что в построенном
по их образцу самолете для получения подъемной силы в 300 «г было бы достаточно
0,5 л. с. Это дает нагрузку мощности в 600 кг/л. с. Величина поистине
фантастическая, в 100 раз превышающая нагрузку мощности современных самолетов.

Для сравнения полета
живых существ с полетом построенной человеком машины можно отметить следующее:
крылья самолетов могут поднять в воздух больше груза, в среднем в 10 раз больше
«г на 1 м2 крыла, самолеты летают с большей скоростью (по меньшей мере в 2
раза); зато птицы могут на единицу мощности перенести в 10 и 20 раз, насекомые
даже в 100 раз большую тяжесть, чем самолет.

В природе мощность
используется в 10 с лишним раз лучше, чем в построенных человеком летающих
машинах. Таким образом, значительно лучшими являются некоторые позаимствованные
из природы «конструктивные решения».

Крыло птицы – «чудо техники»

Крыло птицы
представляет собой непостижимый образец для техники, а формы ее тела и профили
крыльев отвечают всем достижениям аэродинамики. Это лучше всего видно на
примере планеров, которые чем лучше, тем больше напоминают большую птицу.
Однако конструкция и движения птичьих крыльев весьма сложны.

Крыло птицы гибкое —
состоит из перьев, которые обладают способностью движения. Перо состоит из
центрального стержня, имеющего полый очин и заполненную концевую часть. Вдоль
этого как бы лонжерона вырастают по бокам волоски, которые, собственно говоря,
если их рассматривать в микроскоп, тоже являются перьями. Эти волоски-перья в
свою очередь имеют поперечные волоски, которые заканчиваются крючками; крючки
зацепляются за волоски следующего пера, образуя гладкую поверхность. По одной
стороне стержня волоски длиннее.

Передняя кромка крыла
покрыта мелкими перьями для создания лучшей обтекаемости. Вблизи передней
кромки проходит кость скелета крыла. Вследствие этого передняя кромка толще, а
сток тонкий. Перья уложены, ,как черепица, и при движении вниз создают не
пропускающую воздух поверхность. При движении вверх, наоборот, воздух может
проходить между перьями.

Часть крыла,
состоящая из пальца с первыми перьями, образует так называемое крылышко или
дополнительную узкую небольшую плоскость, которая в отодвинутом состоянии
образует щель за передней кромкой. Не у всех птиц имеется такое «устройство».
Посредством различного установления перьев птица может менять профиль этой
дополнительной поверхности. Таким образом, крыло птицы оснащено всяческими
аэродинамическими устройствами современного самолета; больше того, устройства для
изменения профиля дополнительной плоскости самолета являются технически
недостижимой «мечтой» аэродинамиков.

Как действует крыло птицы?

Взглянем на рисунки,
изображающие отдельные фазы движения крыльев чайки во время полета. В первой
фазе «взмаха» вниз (1 до 7) внутренняя и наружная части крыла опускаются вниз и
образуют одну линию. Последующие фазы движения (8, 9, 10) характеризуются
изгибом линии крыла, и (наружная часть опускается больше по отношению к
внутренней. Крыло становится несущим. В положении 11 начинается движение крыла
вверх, которое длится до положения 14. Движение поднимания (12, 13) быстрее
движения опускания (1, 2).

Наружная часть крыла
делает концом волнообразное движение, внутренняя — только
небольшое колебательное движение. Анализ движения крыла, если смотреть с
боковой стороны, лучше всего можно провести при помощи следующего графического
изображения. Внутренняя часть крыла делает лишь небольшое движение и изображена
прямой линией. На ней постоянно существует действующая вверх несущая сила и,
конечно, сопротивление, действующее назад, в направлении, обратном движению.
Иначе выглядит движение концевой части крыла. При поднимании крыла несущая сила
действует вниз, но также и вперед. При опускании несущая сила действует уже
вверх, а также вперед (сопротивление действует постоянно назад —
противодействуя полету). Вспомним, что во время поднятия крыла открываются щели
между отдельными перьями, и эта вредная, направленная вниз, сила значительно
меньше направленной вверх силы, возникающей при опускании крыла. В качестве
случайных получаем несущую силу, преодолевающую тяжесть, силу вперед,
преодолевающую тяжесть, а также силу вперед, преодолевающую сопротивление.

Когда птица хочет
получить дополнительную несущую силу, она перекручивает свое крыло, так что
сила действует по большому углу атаки. Кроме того, поперечный профиль крыла
приобретает форму свода, как крыло самолета с опущенными закрылками. Хвост
птицы помогает при приземлении и при старте, увеличивая несущую поверхность.
Служит он и для управления.

Управление осуществляется
путем независимой работы крыльев и изгиба тела в половине длины туловища.
Птицы, имеющие ноги с плавательной перепонкой, пользуются ею как
аэродинамическим тормозом. Частично складывая крылья, птицы способны совершать
пикирующие полеты вниз, как это делают хищные птицы, падая на свою жертву.

Крылья работают при
помощи непосредственного действия мышц, которые составляют значительную часть
общего веса птицы. Эти мышцы расположены вне плечевого сустава и прикреплены
одним концом к грудине, а другим — к -предплечью, один прикреплен нижней
частью, другой — верхней. Эти мышцы поднимают и опускают крыло. Другие мышцы,
соединенные с локтем, движут крыло вперед и назад. Кроме того, они служат для
сгибания или выпрямления предплечья.

Все более крупные
мышцы и более тяжелые внутренние органы размещены внутри туловища ниже крыльев,
в то время как более легкие, как, например, легкие — выше крыльев.

Таким образом,
сравнительно низко по отношению к крыльям находится центр тяжести, что
обеспечивает хорошую устойчивость птицы во время полета.

Вибрирующая плоскость насекомого

Движение крылышка
-насекомого изучено в значительно меньшей степени, чем птицы. По причине
небольших размеров крыла на поток воздуха большое влияние оказывает пограничный
слой, то есть небольшой слой, непосредственно прилегающий к стенке обтекаемого
тела. Вопросами теории полета маленьких насекомых занимались во Франции проф.
Морган и в США Джордоноглу.

Насекомые являются
единственными животными, у которых крылья предназначены только для полета. Ведь
у птиц они являются «переделкой» верхних конечностей, в то время как у
насекомых крылья являются специальным органом полета, и, когда они не нужны
(например, у некоторых муравьев), .после периода летания они «отбрасываются».
Крылышко насекомого состоит из двух слоев перепонки, на которой проходящие, как
лонжероны, прожилки образуют складки. Расположены они главным образом на
передней кромке. Это не прожилки в обычном значении, это «конструктивное»
придание жесткости. Существуют разные виды крылышек. Крылышко стрекозы, например,
имеет продольные главные прожилки, соединенные для придания жесткости мелкими
поперечными прожилками. Насекомые могут изменять степень жесткости своих
крылышек.

У большинства
насекомых имеются по две пары крылышек, которые соединены вместе при помощи особого
рода крючков на передней кромке или при помощи
известного количества волосков.

По различным
соображениям многие насекомые лишаются второй пары крылышек или не пользуются
ими.

Двигатель крылышка мухи

Рисунок схематически
изображает механизм крыла мухи. Мышечное управление крыла посредственное (птицы
имеют непосредственное). Приведение в движение крылышка осуществляется
следующим образом.

Поперечные мышцы А
нажимают на спинную пластинку и путем сокращения поднимают крылья с опущенным
стоком. Крылышко закреплено в В и опирается на стенку легких в С, где находится
опорный пункт.

Таким образом
небольшое движение спинной пластинки вызывает большие движения крылышек. Когда
поперечные мышцы А расслабнут, а продольные D в свою очередь сократятся,
спинная пластинка, согласно направлению стрелки, осуществит опускание крылышка
с поднятым стоком.

Такого движения вверх
и вниз недостаточно — существует еще движение, осуществляемое при помощи других
мышц вперед и назад. Итак, движение совершается следующим образом:              захват вниз, передняя кромка наклоняется
вниз — все крылышко передвигается одновременно вперед; вверх — наоборот. Конец
крылышка выполняет движение по эллипсу. Киносъемка движений крылышка
подтверждает эту схему движения. Полет насекомых по сравнению с полетом птиц
является более совершенным, так как насекомые могут лететь вперед, висеть
неподвижно в воздухе и даже лететь в обратном направлении в зависимости от
того, куда они направят созданную сложенными движениями крылышек струю воздуха.
Центр тяжести насекомого находится значительно ниже и сзади по отношению к
крылышкам, так что вся схема напоминает вертолет.

Навигационные приспособления

Еще один любопытный
факт обнаружен в процессе полета насекомых. Проведенные в Музее природы в США
опыты показали, что у насекомых имеется гироскопическое устройство,
обеспечивающее полет по установленному курсу, исключая всякую видимость, —
совсем как самолет с приспособлениями для «слепого» пилотажа.

Гироскоп насекомого
представляет собою тоненький волосок с шариком на конце. Он не является
гироскопом тира вращающегося волчка, а так называемым гиротроном, состоящим из
колеблющегося на пружине грузика, напоминающего камертон, но обладающего таким
же свойством — стремлением занимать в пространстве постоянное положение. Итак,
благодаря своему гиротрону насекомое «чувствует», что отклонилось от курса, и
может лететь в желательном направлении. Тут следует добавить, что изучением
этого аппарата очень интересуются фирмы, выпускающие навигационное оборудование
для самолетов.

Тэги: аэродинамика птиц, аэродинамика насекомых, аэродинамические свойства птиц, аэродинамические свойства насекомых, аэродинамики полета насекомых, аэродинамики полета птиц, полёт насекомых, полёт птиц, шмель летать не должен, по законам физики шмель летать не должен