Летать как птицы, плавать как рыбы
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
В наши дни все чаще происходят «встречи» наук, порою весьма далеких. Что общего, например, между орнитологией и ихтиологией, с одной стороны, и техникой — с другой? Но и такое «знакомство» состоялось. Георгий Николаевич Балыков — авиационный инженер. В последние несколько лет его внимание все больше привлекают аэро- и гидродинамические особенности птиц, насекомых, рыб. Рассматривая строение и образ жизни обитателей нашей планеты, Георгий Николаевич пришел к интересным и новым техническим выводам. В публикуемой статье Г. Н. Балыков рассказывает о своих наблюдениях над птицами и рыбами. Он считает, что не менее любопытные данные принесет детальное знакомство с аэродинамикой насекомых и давке некоторых растений. Мы предоставляем слово Георгию Николаевичу, хотя его наблюдения и выводы, возможно, покажутся спорными кому-нибудь из наших читателей. Что ж, в споре рождается истина!
Прочитав заголовок «Летать как птицы, плавать как рыбы!», вы вправе спросить: да знаком ли автор с современной авиацией, с сегодняшними кораблями! И если знаком, то зачем говорить о птицах после «ТУ-114», о рыбах после скоростных подводных лодок! Ответ заключается в том, что многие достижения природных пловцов и летунов все еще остаются для человека далекой мечтой, несмотря на существование кораблей и самолетов. В самом деле, посмотрите, как уверенно садится на тоненькую ветку, а потом стремительно взлетает с нее обыкновенная синица.
Никакой вертолет пока не способен на подобные эволюции — если даже соорудить стальную «ветку», которая его выдержит. А подводные лодки — эти «искусственные рыбы»! Разве умеют они мчаться со скоростью 100 километров в час, разве могут с места брать старт в любом направлении и за какую-нибудь секунду набирать полный ход! Живые рыбы многих пород великолепно умеют все это делать.
Значит, есть смысл как следует присмотреться к «конструкции» летающих и плавающих живых существ с целью перенять у них удачные «инженерные решения» и, возможно, научиться летать и плавать гораздо лучше, чем мы умеем сегодня. Правда, люди давно приглядываются к полетам птиц и насекомых, к движениям рыб. Не перечесть попыток создания аппаратов, имитирующих, например, птицу. Правда и то, что все эти попытки не приносили людям успеха. Известно, что авиация развивается по иным, не «птичьим» принципам, а корабли, особенно надводные, имеют мало общего с рыбами.
И все-таки сегодня мы можем взглянуть на динамику движения птиц, насекомых или рыб новыми глазами. Вооруженные аэро- и гидродинамической наукой, мы, возможно, подметим такие полезные для нас особенности, которые ускользнули от внимания прежних исследователей; вооруженные высокой техникой, мы, быть может, сумеем воспроизвести какие- либо «конструктивные элементы» живых пловцов и летунов.
ПЕРНАТЫЕ ВИРТУОЗЫ
Ощипанная птица не очень обтекаема, зато в оперении ее аэродинамические формы великолепны. И даже любое отдельное перышко представляет собою отличную аэродинамическую конструкцию. Интересно, что перья и пух покрывают не всю поверхность тела птицы, хотя снаружи этого не заметишь. При таком размещении пухо-перового покрова мускулы птицы работают без препятствий, кожа в подвижных местах легко сгибается и растягивается. У одних пород птиц, например у всех водоплавающих, под перьями растет много пуха, у других, скажем у голубей,— его вообще нет; но во всех случаях внешний покров птицы «воздушен», в нем заключена как бы подушка из воздуха. Для чего она!
Первая функция оперения — защита от холода — известна орнитологам давно. Вторая функция обозначается немного расплывчато — перья, мол, нужны для полета. Но вот человек строит самолеты без всяких перьев, и они летают куда быстрее птиц. Как же перья помогают летать птице!
Взглянем с позиций аэродинамики — и станет ясно, что одна из задач оперения состоит в снижении удельного веса птицы. В самом деле, ощипанный селезень кряковой утки имеет удельный вес 0,91 г/см, а в перьях — всего 0,6. В полтора раза меньше! При этом вес пуха и перьев птицы — 67 граммов. Обмеры показали: внутри самих перьев, а также между перьями и пухом селезня содержалось 650 кубических сантиметров воздуха. В курсах зоологии непременно указывают, что пернатые имеют пневматичные кости (с воздухом внутри), что многие виды птиц обладают воздушными мешками между внутренностями и все это ведет к снижению веса. Правильно, однако неполно. Оперение — вот что особенно сильно снижает удельный вес птицы.
Чтобы выявить еще одну важную роль оперения, придется сделать маленькое отступление в область аэродинамики.
На рисунке показано обтекание воздухом профиля крыла самолета. Как видите, вдоль профиля течет пограничный слой воздуха — и течет по-разному. В передней части профиля, он плавный — ламинарный, а в какой-то точке срывается с профиля и переходит в беспорядочное, турбулентное течение. Теория говорит: чем дальше от передней кромки отстоит точка срыва слоя, тем меньшее лобовое сопротивление испытывает крыло. Поэтому на современных самолетах устраивают специальные приспособления для сдува пограничного слоя, то есть фактически для отнесения точки срыва как можно дальше.
Например, через щели, расположенные вдоль крыла вблизи передней кромки, посылают с большой скоростью тонкие и сильные струи воздуха по направлению течения пограничного слоя. Эти струи «сдувают» пограничный слой — делают его ламинарным на большом протяжении. И вот оказывается, что оперение птиц обладает свойством создавать ламинарный пограничный слой. Любому известно, что каждое птичье перо к концу сужается и делается тоньше. Но если перо обтекается неразрывным потоком воздуха, то скорость потока на тонком участке больше, чем на утолщенном. Ибо одна и та же воздушная масса должна пройти через меньшую площадь поперечного сечения.
Частицы воздуха проносятся быстрее, и плотность струи с увеличением скорости падает. А раз падает плотность, то сюда, в разреженный участок, подсасывается окружающий воздух, в том числе находящийся впереди. Так пограничный слой при полете птицы непрерывно отсасывается, и соответственно отодвигается точка срыва. Кроме того, я предполагаю, что птица в полете выбрасывает воздух из воздушных мешков, направляя его вдоль пограничного слоя. Так происходит и отсос слоя и его сдувание.
Результаты просто удивительны. Крыло птицы не теряет подъемной силы даже на очень крутых углах атаки (то есть углах наклона крыла к горизонту). Самый лучший самолет теряет подъемную силу, как только угол атаки достигает 20 градусов. А синичка – подлетая к дереву, становится в воздухе чуть ли не вертикально и с завидной точностью хватает червяка. Наблюдения показывают: птицы непринужденно пользуются углами атаки от 2 до 60 градусов. Этот диапазон вдвое шире, чем у лучших самолетов.
Есть такое важное понятие — аэродинамическое качество. Оно представляет собой отношение подъемной силы крыла к лобовому сопротивлению. Чем выше это качество, тем меньшая требуется скорость для создания подъемной силы, тем, значит, менее мощный нужен двигатель. Здесь птицы тоже далеко обогнали наиболее «летучие» самолеты и даже планеры. Можно полагать, что на режимах взлета и посадки аэродинамическое качество птиц достигает 40—45 (против 8—15 у самолетов). Ни мои, ни чьи-либо другие наблюдения не выявили, чтобы птица в полете испытывала так называемые критические режимы, чтобы она, подобно неумело управляемому самолету, попадала в штопор из-за потери скорости и, следовательно, подъемкой силы. Можно поэтому считать, что пернатые летуны автоматично управляют своим двигательным аппаратом и даже пограничным слоем — то ускоряя или замедляя полет, то круто взмывая вверх, то резко снижаясь, то плавно паря в воздухе.
Прекрасные аэродинамические данные позволяют птицам затрачивать на движение в воздухе ничтожно малую энергию, полностью восстанавливаемую питанием. Иначе не было бы знаменитых миграций — сверхдальних беспосадочных перелетов птичьих стай в теплые края и обратно.
Любопытны наблюдения за водоплавающими птицами. Орнитологи знают, что нежный брюшной пух водоплавающих никогда не смачивается водой — хотя бы птица «купалась» сутками. До сих пор существовало одно-единственное объяснение этого: птица, дескать, регулярно смазывает перья клювом, доставая жир из особой железы. А смазанное жиром перо водою не смачивается.
Но мною был поставлен простой опыт. Тщательно обезжирив перья чучела утки, я пустил чучело плавать. Оно не намокло, не затонуло, а когда его вынули из воды, то нижний пух оказался… сухим. Так выяснилось, что не только жир препятствует проникновению воды к телу птицы. Главную роль здесь играет все та же воздушная подушка, «заложенная» в пухе и перьях птиц. Подушка эта покрывается тонкой водяной пленочкой и оказывается непроницаемой для влаги.
Есть у водоплавающих еще один замечательный аппарат — перепонки на лапках. Роль этого естественного приспособления тоже сильно недооценивают. Как-то само собою сложилось мнение, будто перепонки нужны для движения в воде, что ими птица гребет — и только. Опять-таки несложный опыт заставил взглянуть на это по-другому. У кряковой утки срезали с лапок перепонки и пустили птицу в водоем. Она тут же поплыла как ни в чем не бывало. Но вот ее спугнули. Бедняга захлопала крыльями, но… не взлетела. Без перепонок на лапах ей не удалось оторваться от воды.
Для чего же все-таки перепонки! Можно уверенно сказать: главным образом для взлета с воды. В самом деле, как взлетает та же утка! Она при помощи воздушных крыльев сперва набирает некоторую горизонтальную скорость. В это время ее лапки, сделавшие первый стартовый толчок, оттянуты назад и имеют в воде определенный угол атаки. Так как вода в 800 раз плотнее воздуха, то лапки с перепонками развивают значительную подъемную силу. И наступает момент, когда общая подъемная сила воздушных крыльев и лапок становится равной весу утки плюс сила сцепления с водой. Это и есть момент отрыва.
Не напоминает ли вам эта картина движение наших стремительных кораблей на подводных крыльях! Возможно, если бы инженеры-судостроители пристальнее наблюдали природу, такие корабли удалось бы создать несколько раньше. Перепончатые лапки помогают уткам и другим водоплавающим и в момент посадки на воду. Они служат хорошими гидродинамическими тормозами. Прежде, чем делать какие-либо выводы из наблюдений за птицами, расскажем немного о гидродинамике и гидростатике рыб.
Но уже в следующей статье.
Автор: Г. Балыков.