Подъемная сила крыла птицы

Подъемная сила крыла птицы

17.7.7. Полет птиц

Рассмотрим горизонтальный поток воздуха относительно наклонной поверхности крыла в том случае, когда его передняя кромка приподнята над задней. В этом смысле крыло действует как несущая плоскость. Поток воздуха над крылом встречает меньшее сопротивление и развивает большую скорость, чем под крылом (рис. 17.52). В результате давление воздуха над крылом уменьшается, а под крылом — увеличивается. Так возникает подъемная сила. Ее величина зависит от размеров и формы крыла, угла его наклона по отношению к длинной оси тела (угол атаки) и скорости полета. В воздухе на тело птицы действует еще одна сила, которая стремится отвести крыло назад в направлении воздушного потока; она называется лобовым, или аэродинамическим, сопротивлением. Механическая эффективность крыла зависит от его способности развивать большую подъемную силу при небольшом относительном росте лобового сопротивления.


Рис. 17.52. Крыло как несущая плоскость

Различают три основных типа полета: машущий, парящий (планирующий) и зависание.

У таких птиц, как голубь, у которых крылья делают около двух взмахов в секунду, основная мощность развивается при опускании крыльев. Это происходит благодаря сокращению сильно развитых больших грудных мышц, которые одним концом прикреплены к плечевой кости, а другим — к килю грудины. При отрыве от земли крыло в начале маха опускается почти вертикально и его передняя кромка располагается ниже задней. Маховые перья 1-го порядка отклоняются вверх под давлением воздуха. Они плотно сомкнуты, чтобы обеспечить максимальное сопротивление воздуху, а значит, и максимальную подъемную силу. Затем по мере опускания крыло движется вперед и поворачивается таким образом, что его передняя кромка отклоняется вверх. В этом положении крыло создает силу, поднимающую корпус. Воздух, проходящий между маховыми перьями, стремится разделить их и отогнуть кверху (рис. 17.53).


Рис. 17.53. Работа крыльев и перьев во время машущего полета. А. Положение крыльев при машущем полете у голубя. Б. Положение перьев при опускании крыльев вниз и взмахе вверх во время машущего полета

Подъем крыла начинается тогда, когда крыло еще полностью не опущено. Внутренняя часть предплечья резко поднимается вверх и назад, и при этом передняя кромка крыла находится в наклонном положении над задней. Это делают малые грудные мышцы, прикрепленные к дорсальной поверхности плечевой кости и к грудине. При движении крыла вверх оно сгибается в запястье и кисть поворачивается таким образом, что маховые 1-го порядка резко отводятся назад и вверх до того момента, пока все крыло в какой-то мере не выпрямится над телом птицы. Во время этого движения маховые 1-го порядка разъединяются, так что воздух проходит между ними и его сопротивление уменьшается. Движением этих перьев назад в основном и создается мощный толчок, который птица использует для поступательного движения вперед. Еще до того момента, как маховые 1-го порядка поднимутся до высшей точки, снова начинают сокращаться большие грудные мышцы, опускающие крылья, и весь процесс повторяется.

При длительном машущем полете работа крыльев заметно видоизменяется и требует гораздо меньше энергии, чем при отрыве от земли. Взмахи при этом не такие сильные, крылья не соприкасаются за спиной, и нет движения вперед на заключительном этапе опускания крыльев. Крылья обычно выпрямлены, и махи вверх и вниз происходят в запястье (в сочленении костей предплечья и запястья). Активного отведения кисти вверх и назад не происходит — крыло поднимается пассивно в результате давления воздуха на его нижнюю поверхность.

По окончании полета птица приземляется, опуская и распластывая хвост, который одновременно служит тормозом и источником подъемной силы. После создания этой силы ноги опускаются, и птица прекращает движение. Хвост в полете служит также рулем, и устойчивость птицы обеспечивается нервным контролем при участии полукружных каналов. В них возникают импульсы, которые стимулируют вспомогательные мышцы, изменяющие форму и положение крыльев и соотношение между их взмахами.

Разные птицы летают с разными скоростями. Эти различия обусловлены формой крыльев и ее изменениями в полете, а также частотой взмахов. Рис. 17.54 позволяет сравнить крылья быстрых летунов (таких, как стрижи) и медленных (как воробьи).


Рис. 17.54. Сравнение строения крыльев у быстрых (таких, как стриж) и медленных (таких, как воробей) летунов

17.9. Перечислите характерные особенности стрижа, позволяющие ему быстро летать.

При планировании крылья неподвижно распластаны под углом 90° относительно тела, и птица постепенно теряет высоту. Когда птица, планируя, опускается, на нее действует сила тяжести, которую можно разложить на две составляющие, одна из которых (тяга) направлена вперед по линии полета, а другая — вниз под прямым углом к первой (рис. 17.55). С увеличением скорости планирования эту вторую силу уравновешивает возрастающая подъемная сила, а тягу уравновешивает лобовое сопротивление, и с этого момента птица планирует с постоянной скоростью. Скорость и угол скольжения зависят от размеров, формы и угла атаки крыльев и от веса птицы.


Рис. 17.55. Силы, действующие на птицу при парении в безветренном воздушном пространстве. А — направление воздушного потока относительно птицы; В — тяга; С — вес тела; D — сила, вызывающая снижение; Е — лобовое сопротивление; F — результирующая аэродинамическая сила; G — подъемная сила; Н — направление движения. (По Gray, с изменениями.)

Читайте также:  Протокол отправки почтовых сообщений на сервер

Птицы, обитающие на суше, используют при планировании восходящие термальные потоки воздуха, которые возникают, когда горизонтальный поток, встретив преграду (например, гору), отклоняется вверх или когда теплый воздух вытесняется холодным и поднимается вверх; так происходит, например, над городами. Птицы, имеющие легкое тело и широкие крылья, такие как канюки и орлы, искусно используют термальные потоки и могут постепенно набирать высоту, делая небольшие круги. Планирование без потери высоты и даже с подъемом называется парением.

У морских птиц, например альбатросов, форма тела и крыльев иная, и они парят по-другому (рис. 17.56). У альбатроса большое тело и очень длинные узкие крылья, и он использует порывы ветра над волнами. За время скольжения против ветра вверх он поднимается на высоту около 7-10 метров. Затем он разворачивается по ветру и с большой скоростью на отогнутых назад крыльях спускается вниз. В конце скольжения вниз альбатрос описывает дугу, возвращаясь во встречный поток воздуха с крыльями, вынесенными несколько вперед. Такое положение крыльев и быстрое движение вперед относительно воздуха обеспечивают подъемную силу, необходимую для набора высоты перед очередным спуском. Альбатрос способен также парить, покрывая большие расстояния параллельно гребням волн; при этом он использует небольшие восходящие потоки воздуха от волн, подобно тому как сухопутные птицы используют потоки над горными склонами.


Рис. 17.56. Сравнение формы тела и крыльев у медленно и быстро парящих птиц. Медленно парящие птицы — большей частью материковые; они могут использовать слабые ветры и термальные потоки. Быстро парят преимущественно морские птицы; они могут использовать сильные ветры

При зависании птица машет крыльями, но при этом остается на одном месте. Крылья совершают около 50 взмахов в секунду, и развиваемая ими тяга, направленная вверх, уравновешивает вес тела. Птицы, способные зависать, имеют очень сильно развитые летательные мышцы (1/3 от веса тела). Их крылья могут наклоняться почти под любым углом. Большая часть маховых перьев-1-го порядка (маховых 2-го порядка только шесть), и они используются для создания тяги.

СВЕЖИЙ НОМЕР

Новости ИР

Наши лауреаты

ЖУРНАЛ «ИЗОБРЕТАТЕЛЬ И РАЦИОНАЛИЗАТОР»

СЕМЬ СЕКРЕТОВ ПОЛЕТА ПТИЦ

Крыло как машущая часть тела птицы способно немного разворачиваться, приобретая форму лопасти пропеллера при движении крыла вверх и вниз.

Ближе к телу — разворот небольшой. Дальше от тела разворот крыла увеличивается. Передняя часть крыла, более жесткая и многослойная из-за скелета крыла, кроющих перьев и подкрылков, опережает однослойные маховые перья при махах крыла. Эти изгибы крыльев, подобно вееру, гонят воздух назад — и птица движется вперед. Кроме того, у птиц с большой амплитудой маха при сближении крыльев над птицей и под ней происходит выдавливание воздуха назад. Гибкость крыла, способствующая закручиванию крыльев при махах в поперечном и продольном направлениях, как у лопастей пропеллера, — это один из главных секретов полета птиц.

ХОРДООБРАЗНЫЙ ИЗГИБ КРЫЛА В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ

В ходе эволюции крылья, укрывая тело птицы, приняли изогнутую форму — по форме тела, что сказалось на подъемной силе крыла при горизонтальном планировании. Кроющие перья (надкрылки) создают выпуклость крыла сверху. Пуховые перья (подкрылки) немного выравнивают поверхность крыла снизу. Поэтому скорость движения воздуха над крылом больше, чем под крылом, что создает подъемную силу.

ЯЙЦЕОБРАЗНАЯ ФОРМА ТЕЛА ПТИЦЫ, направляющая потоки воздуха от маха крыльями назад.

ИЗОГНУТОСТЬ КРЫЛА КВЕРХУ В ВИДЕ РАКУШКИ (с большей выпуклостью на расстоянии 0,26 длины крыла от туловища птицы), направляющая потоки воздуха от основных маховых перьев 2-го и 3-го порядка и от развернутых веером перьев 1-го порядка назад.

ВЕРХНИЕ КРОЮЩИЕ ПЕРЬЯ (надкрылки) И НИЖНИЕ ПУХОВЫЕ ПЕРЬЯ (подкрылки).

При махе крыльев вверх надкрылки по инерции прижимаются к маховым перьям, выдавливая воздух назад, а подкрылки также по инерции своими концами отходят от маховых перьев, втягивая воздух в образовавшееся пространство. При опускании крыла — все наоборот. Надкрылки отходят от маховых перьев, втягивая воздух. Подкрылки выдавливают воздух назад. Получается насос, качающий воздух от крыла назад.

МАКСИМАЛЬНОЕ РАСКРЫТИЕ КРЫЛА (для малых птиц), когда дальний край крыла заходит далеко вперед, что увеличивает площадь крыла, его подъемную силу при взлете, а также увеличивает сопротивление воздуха при посадке.

УПЛОТНЕНИЕ ВОЗДУШНОЙ ОПОРЫ ПОД КРЫЛОМ ПТИЦЫ ПРИ МАХЕ ВВЕРХ

Благодаря расположению маховых перьев в виде опахала, когда одни перья заходят под другие в направлении к туловищу птицы (у больших птиц), происходит вот что. При махе крыльев вверх от наклона маховых перьев создается поток воздуха, движущийся в направлении к туловищу птицы, и назад — отчасти от изгиба маховых перьев, а в основном от покровных перьев. Под крылом создается вакуум, куда устремляется воздух. Скорость воздуха возрастает от туловища птицы к дальнему концу крыльев. Поднимаясь за крылом и встречая на своем пути препятствие в виде туловища птицы, два встречных потока образуют вихрь (или маленький «смерчик»): отличную опору для крыла при махе крылом вниз.

Читайте также:  Настройка яндекс почты тандерберд

Интересен вопрос: с какой максимальной скоростью большие птицы могут махать крыльями?

Согласно моим экспериментальным данным, полученным на макете, при определенном наращивании махов крылом экранное полотно дальше не поднимается, а, наоборот, опускается ниже. Отсюда вывод: птицы чувствуют, когда при подъеме крыльев воздух под крылом уплотнен на оптимальном расстоянии от крыла, что позволяет сделать плавный волнообразный удар крылом по нему.

При более быстром махе воздух под крылом разреженный, а значит, будет увеличен пробег (опускание) крыла без опоры на уплотненный воздух, что приводит к потере скорости, большей нагрузке на крыло от удара по уплотненному воздуху на большем расстоянии от крыла.

Чем объясняется относительно большая скорость некоторых птиц в сравнении с другими птицами?

Уплотненный воздух под крылом дальше «прокатывается» по ширине и длине крыла. То есть большая часть крыла включена в работу по отталкиванию. Сравним с рыбой, которая движется извиваясь всем телом, в отличие от той, которая движется лишь с помощью плавников. В последнем случае она движется медленнее.

Стриж, например, имеет большую скорость, так как крылья у него расположены почти параллельно туловищу, что увеличивает пробег волны уплотненного воздуха под крылом.

У орла крылья широкие и длинные. Волна уплотненного воздуха имеет большую площадь и больший пробег под крылом. Этим объясняется большая скорость и большая грузоподъемность орла.

Работая над крылом махолета, я обнаружил маленький секрет скорости полета птиц. Изгибы крыла, перьев должны быть минимальными, чтобы напор воздуха назад был максимальным. Это обеспечивают гибко-жесткие конструкции крыла: скелет крыла, стволы перьев, волоски опахал. Это очень важно, так как обеспечивается пластичность движения, минимальная нагрузка на элементы крыла. Обеспечивается волнообразное движение крыла и соскальзывание воздуха с плоскости крыла, а не проваливание его вниз при большем наклоне крыла и перьев.

Аналогами явления уплотнения воздуха под изогнутой поверхностью при резких махах вверх и вниз можно назвать вытряхивание пыли из простыней или ковров двумя хозяйками или эффект хлопушки. У птиц уплотнение воздуха под крылом происходит сложнее, с завихрением, что создает более плотную «подушку» воздуха.

При махе крылом вниз у больших птиц происходит смыкание опахал маховых перьев, и накопившийся под крылом воздух находит выход назад — от изгибающихся маховых перьев 2-го и 3-го порядка, и расходится назад веером — от изгибающихся маховых перьев 1-го порядка. Волнообразное ускоренное движение воздуха от движения маховых перьев 1-го порядка — как самое сильное — облегчает полет птиц, летящих сзади под некоторым углом к впереди летящим птицам. В этом случае сзади летящая птица использует встречную волну воздуха, облегчающую изнурительное махание крыльями при дальних перелетах (подобно взлету против ветра).

Отсюда полет клином журавлей и других перелетных птиц.

Работа над изобретением махолета позволяет утверждать: только изучение секретов полета птиц и их успешное использование может помочь сконструировать летательный аппарат для индивидуального полета человека за счет мускульной тяги.

Если мы когда-нибудь полетим — то только подражая птицам!

*Василий Иванович Васильев (род. 04.03.1935) — инженер-конструктор, изобретатель, в настоящее время работает над созданием модели махолета (мускулолета).

Сила притяжения, которая, как бы высоко мы ни подпрыгивали, всегда возвращает нас на землю, воздействует, разумеется, и на птиц. Поэтому в воздухе их должна удерживать сила, противодействующая силе тяжести. Эту противодействующую силу создает крыло. Оно у птиц не плоское, как доска, а выгнутое. Это значит, что струя воздуха, огибающая крыло, должна пройти по верхней стороне более длинный путь, чем по вогнутой нижней. Чтобы оба воздушных потока достигли оконечности крыла одновременно, воздушный поток над крылом должен двигаться быстрее, чем под крылом. Поэтому скорость течения воздуха над крылом увеличивается, а давление уменьшается. Разность давлений под крылом и над ним создает подъемную силу, направленную вверх и противодействующую силе тяжести.

Подъемная сила зависит от величины и формы крыла. Также важны и скорость, с которой воздух обтекает крыло, то есть скорость встречного воздушного потока, и угол, под которым поток воздуха достигает переднего края крыла. Изменяя угол наклона крыла (в авиации его называют углом атаки), птица может влиять на подъемную силу. Если она повернет крыло слишком круто относительно направления воздушного потока, то струя воздуха как бы отрывается от крыла и птица начинает падать. Одновременно с падением происходит торможение полета перед приземлением, так как при этом увеличивается лобовое сопротивление крыла.

Самая простая форма полета — планирование. Птица спрыгивает с высокого дерева или скалы и планирует по наклонной вниз. При этом в движение ее приводит направленная вниз сила тяжести. Воздушный поток, обтекающий крыло, создает, как было описано выше, подъемную силу, которая тормозит падение. Чем лучше аэродинамические качества крыла (то есть чем больше разрежение воздуха над крылом и выше скорость воздушного потока), тем дольше птице удается планировать. Если на крыло действуют и другие направленные вверх силы, например восходящие потоки теплого воздуха или сильные ветры, то птица может, не размахивая крыльями, парить в небе. Дневные хищные сарычи или орлы подолгу кружатся в восходящих потоках теплого воздуха, а чайки парят при сильных морских ветрах. Устойчиво парить в воздухе может только птица массой и величиной не меньше вороны. Более мелкие птицы или те, у которых относительно маленькие крылья, должны энергично махать ими, чтобы оставаться в воздухе и двигаться вперед. Такой способ полета называют машущим, или активным, в отличие от парящего, или пассивного.

Читайте также:  Уроки печатания на компьютере

Как мы уже говорили, крыло состоит из двух групп перьев. Расположенные на тыльной стороне кисти большие, или первостепенные, маховые перья создают во время полета тягу, а прикрепленные к предплечью, точнее — к локтевой кости, малые, или второстепенные, маховые перья составляют несущую поверхность крыла. Поскольку второстепенные маховые перья находятся ближе к телу, они лишь немного двигаются вверх и вниз. Обтекающий их воздушный поток создает над и под ними, как при парении, разные давления. Эта часть крыла при машущем полете образует подъемную силу. Длинные первостепенные маховые перья по форме напоминают лопасти пропеллера. Амплитуда их движения вверх и вниз больше, поэтому они создают тягу. Чтобы при ударе крылом о воздух не уменьшались подъемная сила и тяга, мелкие птицы подтягивают крылья к телу и в таком положении поднимают их вверх, У более крупных птиц первостепенные маховые перья свободно колеблются, и птицы расправляют их только тогда, когда второстепенные маховые достигают нижней точки перед новым взмахом. Когда птицы поворачиваются в полете, у них одно крыло либо движется быстрее и энергичнее, либо частично сложено и поэтому становится меньше. Кроме того, рулем у многих птиц служит хвост.

Летные качества птицы определяет главным образом форма ее крыльев. Например, для быстрого полета больше всего подходят узкие, заостренные на концах крылья, как, скажем, у соколов или черных стрижей. Округлые широкие крылья позволяют маневрировать в полете. Они жизненно необходимы всем птицам, летающим в кустарниковых зарослях и междудеревьями. У большинства певчих, например воробьиных или сорок, а также охотящихся в лесах дневных хищных птиц — ястреба-перепелятника и большого ястреба — такие крылья. У сарычей, орлов и журавлей — птиц, парящих в слабых восходящих воздушных потоках, — крылья большие, широкие, закругленные спереди. А у носящихся над морем в сильных воздушных потоках чаек, буревестников и альбатросов, напротив, — длинные, узкие и заостренные.

Некоторые птицы вообще не могут летать. Пингвины живут главным образом в воде. Их крылья видоизменились в ласты, с помощью которых они "летают", правда, не в воздухе, а в воде. Не летают и большие бегающие птицы, например страусы. Они слишком тяжелы для полета. Чтобы подняться в воздух при такой массе, нужны огромные крылья. А чтобы двигать такими крыльями, мускулатура должна стать еще сильнее и массивнее.

Птица может летать, если ее масса не превышает 20 кг. Соотношение между несущей поверхностью крыла и размерами тела при большем весе таково, что, даже энергично взмахивая крыльями, птица не поднимется в воздух. Тяжелые дрофы и куры разбегаются, чтобы взлететь.

Воробей летает со скоростью 40 км/час. Черный стриж проносится в воздухе еще быстрее — его скорость от 60 до 80 км/час, а у сокола-сапсана в пикирующем полете она достигает 300 км/час. Удивительные данные приводят ученые о скорости полета маленькой колибри: от 48 до 150 км/час! Ни одна из птиц не обладает таким "мотором" и такой техникой пилотажа. Она то поднимается по спирали, то резко взмывает вверх, то устремляется вперед, падает, тормозит, висит в воздухе, летит боком, на спине.

Перелетные птицы должны быть выносливыми, иначе они не смогут совершать сезонные миграции. Ласточки из Восточной Европы летят над Средиземным морем и Сахарой в Восточную Африку, преодолевая без остановки до 2500 км. Бурокрылые ржанки, мигрирующие с Аляски на Гавайи, пролетают над водными просторами 4000 км, не имея возможности сделать в пути остановку. А полярные крачки — 20 000 км, с Ледовитого океана до ледовой кромки Антарктиды и обратно. Но они делают в пути привалы. Некоторые виды колибри отправляются в дальние опасные путешествия через горные цепи и морские просторы из Центральной Америки к берегам Аляски. Как удается этому крошечному созданию преодолевать такие расстояния?

Высота полета птиц зависит от географических и атмосферных условий. Воробьиные, например, могут лететь на высоте от 0,5 м над морем до 7000 м над горами. В среднем птицы при перелетах поднимаются на 1100-1600 м над уровнем моря, но многие предпочитают высоту 100-130 м. Если необходимо преодолеть горные массивы, то даже маленькие птицы могут подниматься на несколько тысяч метров. Безусловными рекордсменами признаны гуси, которые перелетают в Индию над Гималаями на высоте 8830 м.

Ссылка на основную публикацию
Нет msvcr120 dll что делать
Если, попытавшись включить любимую игру, вы натыкаетесь на окно, которое гласит, что запуск программы невозможен по причине отсутствия mscvr120.dll —...
Консольные команды для бателфилд 4
Встречаем и вновь возвращаемся в самый: динамический, красивый, технически богатый и самый заселённый мир с постоянно ведущимися боевыми действиями. Самый...
Конструкция степлера канцелярского схема
Первые степлеры появились во Франции в XVIII веке, их специально изобрели для короля Людовика XV. Но в то время это...
Нет беспроводного сетевого соединения windows 7
На панели задач в Windows или в меню «Центр управление сетями» нет иконки Wi-Fi? Это не значит, что вышло из...
Adblock detector