Секрет машущего полёта птиц

А. А. Гришаев, А. А. Гришаев (старший).

Мудрецы древности.

Машущий полёт птиц поражает своей энергетической эффективностью. Белый сокол, при весе 1.6 кг, поднимает в воздух добычу весом 5 кг, т.е. более чем в три раза превышающую его собственный вес. Какому самолёту по силам такое? Бурокрылые ржанки, имеющие средний размах крыльев всего 34 см, при своих сезонных миграциях совершают беспосадочный перелёт, со скоростью около 90 км/ч, от Алеутских до Гавайских островов — на 3300 км. Чтобы оценить это, следует сравнивать птиц не с реактивными самолётами, а с винтомоторными — которые, как и птицы, “отталкиваются от воздуха”. Винтомоторный самолёт тоже пролетает 3000 км на одной заправке, но размеры такого самолёта превышают размеры ржанки, как минимум, в 30 раз. Значит, у ржанки во столько же раз больше относительная дальность полёта “на одной заправке”!

При всей заманчивости технического применения принципов машущего полёта птиц, эти принципы до сих пор непонятны науке, по которой выходит, что птичий полёт — это какое-то недоразумение Природы. Безуспешно пытаясь не только проимитировать птичий полёт, но и понять, как он вообще возможен в согласии с догмами аэродинамики, наука строит свои прожорливые и привередливые самолёты, у которых крылья создают подъёмную силу, но не являются движителями. Между тем, машущие крылья птиц изящно совмещают обе эти функции на основе инженерного решения, ошеломляющего своей простотой.

Прежде всего вспомним, что почти все летающие птицы — за исключением, пожалуй, самых маленьких — владеют техникой планирующего полёта. У некоторых из них эта техника, почти не требующая физических усилий, доведена до поразительного мастерства: морские птицы демонстрируют чудеса пилотажа, используя энергию ветра — в том числе, неподвижно зависают на встречном ветру. Бесспорный факт: распростёртые и зафиксированные птичьи крылья создают подъёмную силу при достаточной скорости обтекания. Заметим, что эта подъёмная сила мало зависит от того, зафиксированы ли распростёртые крылья в своём среднем положении, или в любом другом положении — в пределах полной амплитуды маха при оптимальном силовом режиме прямолинейного горизонтального полёта. Значит, машущие движения здесь требуются не для создания подъёмной силы, а исключительно для создания тяги. С этим выводом согласуется и такое наблюдение: для увеличения скорости горизонтального машущего полёта, птица увеличивает частоту машущих движений.

Как же можно “отталкиваться от воздуха” с помощью этих движений? Казалось бы, отброс воздуха назад при машущих движениях крыльев вверх-вниз легко достижим при соответствующих углах атаки. В самом деле, при махе вверх крыльями с положительным углом атаки, воздух бы отбрасывался назад, и возникала бы реактивная сила, которая толкала бы птицу вперёд. Но, при махе вниз теми же самыми крыльями, аналогичная реактивная сила толкала бы птицу уже не вперёд, а назад. Тут бы сделать отрицательный угол атаки — но тогда стала бы отрицательной подъёмная сила! Как можно видеть, при варьировании угла атаки машущих крыльев с целью создания тяги, практически невозможно добиться ровного и устойчивого горизонтального полёта. Сегодня, благодаря создателям телесериалов о живой природе, имеется возможность наблюдать подробности машущих движений крыльев у разных птиц, совершающих прямолинейный горизонтальный полёт в оптимальном силовом режиме. Так вот, действительно: на протяжении машущего цикла никаких изменений угла атаки не просматривается. Кстати, биологи подтвердят, что у птиц попросту нет мышц, которые могли бы выворачивать крылья для изменения угла атаки: грудная мышца производит мах вниз, а подключичная плюс помогающая ей большая дельтовидная — мах вверх. Птица может активно выворачивать лишь оконечности крыльев — причём, в ограниченных пределах; и требуется это для руления (у самолётов аналогично работают элероны). А, чтобы изменить угол атаки, например, увеличить его для торможения в воздухе, птицам приходится изменять положение всего корпуса, “задирая нос”. Впрочем, имеет место и небольшое пассивное изменение эффективного угла атаки — благодаря гибкости маховых перьев. В этой-то гибкости маховых перьев и заключается, на наш взгляд, секрет создания тяги машущими движениями крыльев.

Вот этот секрет. Стержень махового пера утончается в направлении к кончику, и на кончике практически сходит на нет. Поэтому, чем ближе к кончику, тем больше гибкость махового пера. Это свойство приводит вот к чему: из-за сопротивления воздуха маховым движениям, кончики маховых перьев изгибаются в сторону, противоположную направлению маха. То есть, задние части крыльев, составленные из кончиков маховых перьев, работают как гибкие закрылки — которые, при махе крыльями вниз, пассивно отгибаются вверх, и наоборот. При этом, как можно видеть, именно гибкими закрылками машущие крылья “отмахивают” воздух назад. На наш взгляд, это и порождает реактивную силу, толкающую птицу вперёд. Каков курьёз: крылья птиц отмахивают воздух по хорошо известному принципу гибкого дамского веера, зачастую сделанного из… длинных птичьих перьев!

В пользу того, что птицы создают тягу, отмахивая воздух гибкими закрылками, можно привести ещё такие примеры. Зимородок, перед отвесным пикированием за рыбёшкой, имеет обыкновение неподвижно зависать в воздухе. В режиме этого зависания, корпус птички держится почти вертикально (хвостом вниз), и, соответственно, крылья совершают машущие движения не вверх-вниз, как при горизонтальном полёте, а вперёд-назад. При этом гибкие закрылки отмахивают воздух вниз, из-за чего и возникает реактивная сила, удерживающая птичку от падения. Такую технику неподвижного зависания “на вертикальной тяге” демонстрируют многие птицы, включая крупных морских, тоже добывающих рыбу с отвесного пикирования. А непревзойдёнными виртуозами “вертикальной тяги” являются, конечно, колибри, которые владеют искусством непринуждённого перемещения в воздухе в любом направлении, не разворачиваясь — что с успехом практикуется при поочерёдном облёте цветков, из которых эти птички, зависнув в воздухе, пьют нектар. Интересно, что маховые пёрышки колибри настолько гибкие, а машет крылышками она так часто, что, при замедленном просмотре, пассивные отгибания маховых пёрышек обычно принимаются за активные выворачивания крылышек!

Возвращаясь к обычному машущему полёту с горизонтальной тягой, добавим, что, как правило, дизайн птичьих крыльев и режим их работы настолько хорошо согласованы, что эффективно гасится вертикальная болтанка корпуса птицы, противофазная машущим движениям, и в результате птица летит “по струночке”. Одним из механизмов гашения вертикальной болтанки корпуса является, на наш взгляд, пассивное варьирование подъёмной силы крыльев благодаря всё тем же гибким закрылкам. Действительно, при махе крыльями вниз, когда гибкие закрылки загнуты вверх, подъёмная сила крыльев оказывается немного уменьшена, что и гасит “отдачу” корпуса вверх; при махе крыльями вверх всё происходит прямо противоположным образом. Следует признать, что речь идёт об изумительном инженерном решении: на основе гибкости маховых перьев решены сразу несколько технических задач!

Добавим, что в живой природе имеются и другие, весьма специфические применения принципа машущих крыльев с гибкими закрылками. Так, пингвины — это птицы, которые на этом принципе “летают под водой”. Не забудем и про летучих мышей, у которых крылья устроены иначе, чем у птиц, но принцип полёта — всё тот же.

А вот экспериментальные махолёты с жёсткими крыльями, на наш взгляд, не имитируют птичий полёт. Секрет машущего полёта птиц — в гибких закрылках. При полёте в оптимальном силовом режиме, машущие движения требуются лишь для создания тяги, возникающей при “отмахивании” воздуха назад гибкими закрылками. Что же касается подъёмной силы, то она обеспечивается не машущими движениями, а — как и при планирующем полёте — положительным эффективным углом атаки, благодаря которому, при достаточной скорости обтекания, над крылом воздух разрежается, а под крылом он уплотняется, что и порождает перепад давлений. Причём, почти постоянный положительный угол атаки, при машущих движениях, в значительной степени обусловлен той особенностью сочленения птичьих крыльев с корпусом, из-за которой машущие движения выполняются не строго ортогонально линии полёта, а вниз-вперёд и вверх-назад. И вот ещё что важно. У птиц, приспособленных не к планирующему полёту, как альбатрос, а именно к полёту машущему, гибкие закрылки обычно прорежены. Для формирования такого “разрезного крыла”, оконечные участки опахал маховых перьев бывают даже специально заужены. Конечно, это делается неспроста. На тех скоростях обтекания, которые достижимы при машущем полёте, воздух ведёт себя как среда с малой вязкостью. И, если гибкие закрылки были бы сплошными, то они порождали бы сильные завихрения, что снижало бы энергетическую эффективность полёта. Разрезное же крыло, очевидно, снижает силу завихрений до приемлемого уровня.

В завершение добавим: если уж летают самолёты, то летательные аппараты, имитирующие полёт птиц, должны летать тем более. Даже в детских авиамодельных кружках можно собирать и совершенствовать модели птицелётов. Центровка птицелёта, по-видимому, должна быть примерно такой же, как и у планера — на первой трети крыла. Едва ли можно обойтись без хвостового оперения, стабилизирующего птицелёт по горизонтальному и вертикальному углам отклонений от прямолинейного полёта. Пассивная стабилизация по углу крена, по-видимому, достижима благодаря заниженному центру тяжести птицелёта в полётном положении — как у птиц. И ещё: для выхода птицелёта на рабочий режим требуется некоторая стартовая скорость обтекания крыльев. Птицы решают эту проблему старта по-разныму: одни отталкиваются с места, другие разбегаются, третьи бросаются вниз со скал, четвёртые используют встречный ветер…

Счастливого машущего полёта!

Источник: http://newfiz.narod.ru

Поступило на сайт: 18 августа 2004.

#a# парфюмерно-косметические красители .