СЕКРЕТ МАШУЩЕГО ПОЛЁТА ПТИЦ
А. А. Гришаев, А. А. Гришаев (старший).
“Птичий полёт — это великий символ, это символ творчества”.
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!