Полёт птиц

С давних пор человека привлекал полёт птиц.

Пытливый ум человека добился того, что человек с 1916 г. летает выше птиц — орла, грифа, кондора, залетающих иногда на высоту 6000—7000 м; что человек с 1912 г. стал летать быстрее птиц, в частности стрижа, летающего со скоростью 144 км!час. И, наконец, с 1924 г. человек летает без посадки дальше птиц, в частности дальше перелётных птиц ржанок, при благоприятных условиях пролетающих без посадки 3000÷3500 км (рис. 74).

Птицы в воздухе выполняют всевозможные фигурные полёты. Они могут совершать вираж, глубокий разворот, «мёртвую петлю», обратную «мёртвую петлю» и т. д.

 

Полёт птиц

Рис. 74. Максимальные скорости, высоты и дальности, достигнутые на рекордных самолётах по годам. Пунктиром указаны рекорды самолётов, не превзошедшие лучших показателей у птиц, достигнутых при благоприятных условиях.

 

 Человечество отняло у птиц и эту монополию. Начало этому было положено в 1913 г. выдающимся русским лётчиком, штабс-капитаном П. Н. Нестеровым, впервые совершившим вираж, глубокий разворот и «мёртвую петлю», по случаю которой петербургская газета от 28 августа 1913 г. сообщала: «Полёт русского лётчика вниз головой» (по телеграфу).

«Киев. Сегодня в 6 часов вечера военный лётчик второй авиационной роты поручик Нестеров в присутстствии офицеров-лётчиков, врача и посторонней публики сделал на Ньюпоре на высоте 600 м «мёртвую петлю», т. е. описал полный круг в вертикальной плоскости, после чего спланировал к ангарам».

Если учесть несовершенство и примитивность тогдашней авиационной техники и отсутствие парашюта, то можно понять всю смелость дерзновенного полёта русского лётчика.

До настоящего времени человек не превзошёл птиц по экономичности полёта. Так, например, у самого наилучшего современного самолёта на одну лошадиную силу двигателя приходится около 14 кГ полётного веса, а у птицы кондора, который может поднять на воздух целую овцу, на одну лошадиную силу приходится около 80 кГ полётного веса.

Полёт птиц

Рис. 75

а — птичий профиль, б — щелевой профиль крыла.

 

Изучению полёта птиц посвятили много работ Н. Е. Жуковский, В. П. Ветчинкин, М. К. Тихонравов и др.

Рассмотрим, как летают птицы. Предварительно кратко ознакомимся с устройством крыла птицы. Крыло птицы покрыто маховыми и кроющими перьями, образующими лёгкую и гибкую аэродинамическую поверхность. Если крыло птицы рассечь поперёк размаха, то мы увидим характерный аэродинамический профиль, как говорят, — птичий профиль (рис. 75,а). Этим профилем часто пользовались строители первых самолётов. Профиль крыла птицы весьма гибок и в зависимрсти от условий полёта может принимать различный вид, сильно меняя свою вогнутость. Сплошное крыло птицы может стать многощелевым, обладающим большим коэффициентом подъёмной силы.

Щелевое крыло, применяемое на некоторых самолётах (рис. 75,б), позаимствовано человеком у птиц.

Для полёта любого аппарата нужна подъёмная сила и сила тяги. Они также нужны и для полёта птицы. Как известно, у самолёта эти силы создаются раздельно — подъёмная сила крыльями, а тяга — винтовым или реактивным двигателем. У птицы же подъёмная сила и сила тяги создаются совместно в одном месте и одним органом — машущими крыльями. Для создания указанных сил птица взмахивает крыльями и одновременно поворачивает их вокруг оси, проходящей параллельно размаху крыла. Этот поворот (наклон) птице нужен для придания различных углов атаки крыльям, т. е. для различных встреч профиля крыла с воздухом. Полный взмах крыла делится на взмах вверх и взмах вниз. Весьма распространено ошибочное мнение, что только при взмахе вниз крылья совершают полезную работу, взмах же вверх бесполезен. Ниже мы увидим, что взмах вверх тоже является полезным. Разновидностей способов махания крыльями много; разберём один из них.

Перед нами летит птица (рис. 76, а) в установившемся горизонтальном полёте. Опытами и наблюдениями установлено, что в этом случае направление махания близко к вертикальному. Поэтому истинное движение крыла относительно воздуха должно рассматриваться как равнодействующая, полученная от сложения двух направлений движений — движения крыла в вертикальной плоскости и поступательного движения крыла вместе с корпусом птицы в горизонтальной плоскости, равного скорости полёта птицы.

При опускании (взмахе вниз) (рис. 76, в) равнодействующую скорость движения крыла получим, сложив по правилу параллелограмма вертикальную скорость крыла vy, направленную вниз, с горизонтальной скоростью vx, равной скорости полёта птицы. Получим истинное направление скорости и её величину:

Полёт птиц

Исследования махания крыльями, произведённые известным советским учёным М. К- Тихонравовым,

показывают, что если крыло при опускании будет иметь положительный угол атаки а, то относительно направления скорости в этих условиях обтекания возникнет аэродинамическая сила R, направленная вверх и вперёд. Разлагая её по правилу параллелограмма на две силы,

Полёт птиц

Рис. 76. Аэродинамические силы, действующие на крыло птицы.

получим вертикальную силу, противодействующую весу птицы, и горизонтальную силу, направленную вперёд, т. е. тягу, тянущую птицу вперёд. Эта сила уравновешивает лобовое сопротивление птицы.

При подъёме (при взмахе вверх) (рис. 76, б) крыло имеет вертикальную скорость vy , направленную вверх, и одновременно горизонтальную скорость vx. Складывая эти скорости, получим истинную скорость. Если крыло к направлению этой скорости расположено под положительным углом атаки а, то при таком обтекании возникнет аэродинамическая сила, направленная вверх и назад. Разлагая её, получим вертикальную силу, поднимающую птицу вверх, и горизонтальную силу, тянущую крыло назад — отрицательную тягу.

Из рассмотрения взмахов видно, что птица получает поддерживающую силу как при опускании, так и при подъёме крыла. Тянущую же силу птица получает при опускании крыла, но она по величине перекрывает отрицательную тягу, в результате чего птица летит вперёд. Построенные модели с машущими крыльями, производящие взмахи по разобранному выше способу, успешно летали.

Помимо машущего полёта, птица может совершать парящий полёт. Парящим полётом называется такой полёт, при котором птица может набирать или сохранять высоту, не прибегая к взмахам крыльев. Парящий полёт птицами совершается с широко распростёртыми крыльями. Парение птицами достигается за счёт использования различных восходящих потоков (рис. 77). Подчеркнём отличие парения от планирования. Как было сказано ранее, планирование — это полёт со снижением, при нём птицы, не пользуясь взмахами, с распростёртыми крыльями производят снижение.

В зависимости от того, к какому способу полёта приспособлена птица, они делятся на птиц-парителей, малопарящих птиц и птиц-непарителей, летающих исключительно за счёт взмахов крыльями. Все дневные хищники — орлы, коршуны, ястребы, соколы, кондоры, грифы — и большая часть морских птиц — альбатросы, чайки, пеликаны и др. — являются прекрасными парителями. Непарящими птицами являются: горлица, воробей, колибри.

Аэродинамические формы птиц весьма совершенны. Клюв, голова, шея плавно вытянуты по направлению полёта, ноги поджаты и почти не выступают из перьев, напоминая самолётное «убранное шасси». Переход крыла к корпусу плавен (особенно у чаек). Хвостовое оперение минимально.

Современный планёр является летающим аппаратом, во многом позаимствованным у птиц-парителей. Взгляните на птиц-парителей, высоко летящих с распластанными крыльями. Как много у них общего с планёрами — большое удлинение крыльев, плавные линии, обтекаемый корпус.

Полёт птиц

Рис. 77. Альбатросы поднимаются с волны, используя восходящие воздушные потоки.

 

Планёру не хватает только гибкости крыла и тех приборов, которые заменили бы человеку чутьё птицы к восходящим потокам воздуха. Особенно планёры близки к морским парителям — альбатросам, чайкам, буревестникам. Заметим, что наиболее совершенной птицей в аэродинамическом отношении является альбатрос. Он имеет самый большой среди птиц размах крыльев, достигающий 4,2 м, и наибольшее удлинение крыльев, равное λ— 17,65 (рис. 78).

Полёт птиц

Рис. 78. Формы крыльев птиц. Вверху — крыло белого сокола, в середине — большого улита, внизу — альбатроса.

 

Для сравнения птиц- парителей и планёров приводим таблицу 1:

Таблица 1

Полёт птиц

Данные таблицы показывают близость таких величин, как удлинение крыльев, удельные нагрузки на единицу поверхности крыла, вертикальные скорости снижения при планировании в спокойном воздухе у птиц-пари-телей и у планёров. Особенно сильно влияет на аэродинамические качества удлинение крыльев. У альбатроса оно достигает рекордной величины λ = 17,65.

Взлётно-посадочные качества птиц безупречны, за исключением тяжёлых водоплавающих птиц.

Большинство птиц «висеть» в неподвижном воздухе не может, но некоторые птицы, как жаворонок, зимородок, пустельга и колибри, обладают этим свойством. Колибри могут «висеть» перед цветком, беря из него сок.

Кстати, наибольшее число взмахов в секунду из всех птиц делает колибри — 38 взмахов.

Наряду с посадочными и взлётными данными лётными характеристиками птицы являются: скорость, дальность и высота полёта. По наблюдениям наибольшей скоростью горизонтального полёта v =144 км/час обладает стриж. Это не значит, что птицы в ином виде полёта не могут летать быстрее. В пикирующем полёте сокол-сапсан, преследуя добычу, развивает скорость до 360 км/час. В горизонтальном же полёте он развивает скорость 90 км/час.

Наблюдениями с гор и самолётов установлено, что наибольшая высота полёта ворон и галок около 2000 ж, жаворонка — 1900 м, журавлей — 4500 м.

Птицы-парители, используя восходящие потоки воздуха, залетают на большие высоты. На Кавказе горные орлы (бородачи) поднимаются на высоту 5000 ж. В Тибете грифы и кондоры летают на высоте около 7000 ж.

Дальность полёта без посадки у птиц весьма велика. Окольцовыванием птиц установлено, что при благоприятных условиях чибисы перелетали из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрыв расстояние в 3500 км, золотые ржанки днём и ночью летели из Новой Шотландии в Южную Америку, пройдя путь около 4000 км.

Человек, научившись летать, раньше всего превзошёл птицу по скорости полёта, затем по высоте полёта и лишь позднее по дальности полёта. Полёты на дальность в сильной степени связаны с экономичностью полёта.

Экономичность полёта летательного аппарата (в том числе и птицы) можно охарактеризовать отношением веса аппарата к мощности его двигателя. Это отношение называется коэффициентом нагрузки на единицу мощности. От него сильно зависят показатели летательного аппарата. Чем выше этот коэффициент, тем совершеннее летательный аппарат. Проведём сравнение по экономичности полёта между самолётом и птицей.

Таблица 2

Полёт птиц

Таблица 2 показывает, что наибольшей нагрузкой на лошадиную силу, а следовательно, и наибольшей грузоподъёмностью, обладают рекордные самолёты на дальность. Им приходится иметь с собой большой груз в виде горючего. Нагрузка на единицу мощности у них в среднем равна около 14 кГ/л.с.

Нагрузка на 1 л. с. у различных птиц весьма велика и колеблется от 35 до 135 кГ/л. с., т. е. в 3÷6 раз больше, чем у самолёта. Это подтверждает высокую экономичность полёта птиц и заставляет продолжать изучение летательного аппарата, где бы функции продвижения и поддержания были соединены в одном агрегате. Этим агрегатом являются крылья. Соединение указанных функций в одном агрегате является экономически выгодным.

В летательном аппарате с машущими крыльями аэродинамически выгодно иметь гибкое крыло, позволяющее изменять форму его поперечного сечения, т. е. профиль крыла. Такое крыло можно наилучшим образом приспособлять к конкретным условиям обтекания.

Машущий полёт в технике ещё не удалось воссоздать, хотя было сделано много попыток. Правда, отдельные модели с машущими крыльями летают. Не надо думать, что здесь мыслится слепое подражание природе, копирование полёта птиц. Бесплодны попытки тех, кто думает, что осуществить машущий полёт Можно, Прикрепив к спине человека крылья, подобные птичьим, и, взмахивая ими, оторваться от земли и лететь с помощью мускульных усилий. Осуществить машущий полёт возможно на аппарате, летающем при помощи взмахов крыльями, приводимыми в действие мотором.

Смотрите также