Аэродинамика птичьего крыла
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Никому до сих пор еще не доводилось увидеть, как выглядит аэродинамический след в воздухе за крылом летящей птицы. Впервые эту интригующую экспериментальную задачу сумели решить ученые Института эволюционной морфологии и экологии животных. Наверное, не стоит долго объяснять, чем привлекает исследователей проблема машущего крыла, по крайней мере, прикладное ее значение по достоинству оценит каждый, кто замечал, сколь совершенен полет птиц. Специалисты же в области аэродинамики надеются, что с решением этой проблемы откроется новая глава в одной из фундаментальных дисциплин механики.
Более ста лет назад были заложены основы классической аэродинамики. На рубеже XX века возникла теория крылатого полета. Наблюдая за моделью неподвижного крыла в потоке газа или жидкости, исследователи изучили характер движения частиц среды у его поверхности и за ним обнаружили, в частности, причины появления подъемной силы, действующей на крыло, и подсчитали ее величину. А потом применили законы аэродинамики на практике, построив летательные аппараты тяжелее воздуха — планеры, самолеты, вертолеты…
Как же ведет себя крыло живое, а не искусственное, например, крыло птицы? Было ясно, что взаимодействие машущего крыла со средой имеет совсем иной характер. Хотя бы потому, что птичье крыло в отличие от стационарного само по себе движется по очень сложным законам — все время меняется его конфигурация; каждый элемент крыла описывает в пространстве свою, довольно замысловатую траекторию; что ни миг, то новый набор динамических величин — угла атаки, лобового сопротивления, подъемной силы и т. п.
Но даже самое тщательное изучение скоростных кинограмм не давало полной качественной картины аэродинамики полета. А без этого нечего было и думать о точной количественной теории. Не хватало, вероятно, самого главного — знания того, как ведет себя среда, в данном случае воздух: по каким траекториям и с какими скоростями движутся слои воздуха вокруг крыла.
Ученые из Института эволюционной морфологии Н. В. Кокшайский и В. И. Петровский нашли оригинальное решение проблемы. Идея метода такова. В большой аквариум из органического стекла, в котором находится птица, вдувается облачко мелкой древесной пыли или растительной пыльцы. Пролетая сквозь облачко, птица взмахами крыльев приводит в движение слои воздуха, вместе с ними движутся пылинки. Они-то и призваны сделать видимым след за крылом.
Только вот беда: зяблик, с которым работали ученые, видя облачко, пугался и отказывался лететь сквозь него с одной жердочки на другую. Пришлось пойти на хитрость — затемнили помещение лаборатории, и зяблик, не видя в темноте пыли, стал охотно пролетать сквозь облачко.
Фотосъемку ученые проводили стробоскопическим методом. В темноте открывался затвор фотоаппарата, вдували порцию пыли и одновременно вспугивали с жердочки птицу. Подлетая к облачку, зяблик перекрывал луч фотореле, при этом срабатывал механизм подсветки. Объект освещался серией коротких импульсных вспышек, так что каждая пылинка по мере движения оказывалась последовательно сфотографированной шесть-семь раз, давая изображение небольшого отрезка траектории.
Так впервые в мировой практике удалось получить уникальные фотографии, которые открыли интересную картину вихревых процессов в аэродинамическом следе летящей птицы. Даже беглый предварительный анализ снимков позволил выявить ряд любопытных закономерностей. Например, вихревое кольцо в воздухе возникает, как правило, при взмахе крыла вниз. Двигаясь вверх, крыло птицы как бы складывается, его силовое взаимодействие с воздухом минимально, и вихрь в этом случае не образуется. В целом аэродинамический след выглядит как серия вихревых колец, нанизанных на извивающуюся струю воздуха.
Можно считать экспериментально доказанным, что характер взаимодействия машущего крыла с воздухом принципиально отличается от того, что происходит вокруг стационарного крыла. Полученные данные будут внимательно изучены специалистами по аэродинамике.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.