Полет птиц: полуэмпирические теории полета. Как летают птицы? Высота их полета Птицы планируют в воздухе

Исследовательская работа по физике. Физические особенности полета птиц

Изучая особенности крыла, выяснили следующее: есть внутренняя часть (запястье), которая приводиться в действие мускулами плеча и расположена приблизительно посередине крыла; и внешняя часть, которая является продолжением крыла от запястья.

Оказывается при взмахе крыльев часть перьев птицы на доли секунды разворачивается под прямым углом к телу птицы и крылу, образуя пропеллеры.

После взлета внутренней части крыла нет необходимости двигаться, она сравнима с рычагом для наружней части крыла, если птица меняет ее положение, то регулирует скорость своего полета. Хвост птицы служит рулем, он поворачивается в любую необходимую сторону, при взлете же он служит дополнительной плоскостью для подьема. Кости птиц очень легкие и эта природная особенность объясняет незначительную силу тяжести, которая птица преодолевает при взлете.

При перелетах стаями, птицы умело используют средства уменьшения сопротивления воздуха.

Взмахи крыльев птиц в летящей стае совершаются в резонанс, а если соединить концы крыльев птиц воображаемой линией, то в фиксированный момент можно наблюдать синусоиду

У земли конвекция помогает птицам взлетать и затем парить высоко в небе.

Кроме полета законы механики птицы используют в плавании, но это уже другая история...

Экологический принцип классификации типов полета основан на биологическом значении для птиц той или иной манере передвижения в воздухе. Эта классификация совершенно не совпадает с аэродинамической, часто объединяет несколько разобранных выше типов полета, допуская их перекрывание. Обе классификации могут быть использованы на практике, например, при наблюдениях за птицами, параллельно, так как первая описывает возможности птицы как летательного аппарата, а вторая помогает понять цель и назначение конкретных форм поведения.

В соответствии с экологическими принципами классификации различаются полеты поисковый, разведывательный, транзитный, токовый и некоторые другие.

Поисковый полет связан, как явствует из его названия, с поисками корма над обширными пространствами воды или суши, часто на большой высоте. Сотни километров преодолевают над морем в поисках пищи альбатросы и буревестники, над прибрежными районами морей, небольшими водоемами и сушей - чайки и крачки, над предгорьями, степями и тундрой - поморники, луни, коршуны, канюки, орлы. Поисковый полет всегда неторопливый, длительный, включающий все типы парения, машущий и трепещущий, когда необходимо тщательное высматривание корма. Наиболее характерен поисковый полет для трубконосых птиц, чайковых и дневных хищников .

Во многом аналогичен поисковому, но, в отличие от него, прерывается длительными промежутками кормежки на земле. Если канюк или пустельга, поймав полевого грызуна, продолжают неторопливое патрулирование своих охотничьих угодий, то аист, обнаружив подходящее место для сбора корма, долго «облавливает» его, расхаживая пешком по избранному участку, и лишь затем перебирается на другой. Такие воздушные десанты совершают журавли, цапли, грифы, вороны.

Транзитный полет больше всего напоминает регулярные рейсы с определенной целью и в определенное место. Всем знакомы огромные зимние стаи галок и ворон , летящие каждый вечер с подмосковных помоек и пустырей на ночевку в центр города, а утром обратно.

Точно так же утром и вечером по определенным воздушным маршрутам курсируют утки. Транзитный полет всегда проходит без остановок и задержек; он быстр и прямолинеен, ведь путь не всегда пролегает по безопасным местам.

Токовый полет - это специализированный тип полета, входящий в общий видовой стереотип тока. Его главная цель - привлечение самки в период размножения. Токовый полет есть не у всех птиц, но у тех, у которых имеется, он обычно сопровождается специфическими звуками и характерными для вида позами. Ничего похожего на токовый полет после окончания периода гнездования увидеть не удается. Часто это сезонное поведение настолько своеобразно, что просто трудно поверить, что перед нами хорошо знакомая птица. Скрытый молчаливый лесной кулик вальдшнеп весной летает над лесными полянами и просеками особым замедленным полетом, который охотники называют тягой. Его родственник бекас , обычно маскирующийся на кочковатых болотах, забирается высоко в небо и оттуда бросается вниз головой к земле, раскрыв веером жесткий пружинистый хвост, в перьях которого звонко вибрирует ветер. Чибис над весенним полем проделывает головокружительные повороты с крыла на крыло, аккомпанируя себе голосом. Полевой жаворонок поет свою знакомую всем песенку тоже во время токового полета.

Жаворонок

Рябчик

Полет-бегство - стремительный полет, перемежающийся взлетами и приземлениями. В лесу или поле мы, к сожалению, чаще и легче всего наблюдаем именно этот тип полета, далеко не самый интересный для натуралиста. Обычно он происходит на максимальной скорости, в результате чего птица быстро скрывается из глаз, рассмотреть ее удается не всегда. Типичный пример — стремительный взлет рябчика, после которого птица как бы растворяется в ветвях, становится совершенно недоступной глазу, хотя улетает не дальше ближней ели.

Прерывистый полет, он же кормовой , обычен во время кормежки для мелких птиц, особенно лесных и кустарниковых. Наблюдать его сравнительно нетрудно. Зимой часто можно видеть кормовые перемещения стаек синиц в сопровождении поползня, дятла и пищух; чижей и чечеток , облепляющих вершины берез и ольх; летом легко наблюдать кормовые полеты пеночек, обшаривающих каждую веточку, «пастьбу» с короткими перепархиваниями зяблика и скворца , охоту белой трясогузки и мухоловки-пеструшки.

Не все виды птиц четко размещаются по этим узловым точкам, многие типы полета можно охарактеризовать как промежуточные или совмещенные.

Птицы являются древнейшими обитателями планеты. Их жизнь находится под пристальным вниманием орнитологов уже на протяжении тысячелетий.

Способы передвижения птиц

Большинство видов птиц, обитающих на планете в настоящее время, для передвижения используют полет. Благодаря этому птицы мигрируют, добывают себе корм, спасаются от хищников. Способность летать является одной из отличительных черт представителей класса.

Существует и другая группа - нелетающие птицы. Главным образом они обитают на островах или в тех местах, где отсутствуют хищники. Для совершения полета требуются огромные затраты энергии, поэтому, если нет необходимости в таком способе передвижения, то птицы отказываются от него.

Наземный образ жизни приводит к значительному повышению массы тела нелетающих птиц. Примером тому могут стать пингвины, страусы.

Из истории изучения полета птиц

Ответ на вопрос о том, как летают птицы, всегда зависел от уровня развития различных наук в определенную эпоху. Поэтому не стоит удивляться тому, что такие великие ученые, как Аристотель, Леонардо да Винчи, Борелли и многие другие исследователи по-разному объясняли механизм полета птиц.

И сегодня ученые открывают много нового, что связано с повадками, способами питания, размножения, передвижения пернатых. За тем, как летают птицы, с большим интересом наблюдают не только ученые, но и другие люди, далекие от науки. Это необыкновенное зрелище захватывает каждого.

Эволюция и полет птиц

Вопрос появления первых летающих птиц до конца не изучен. Причина, заставившая подняться наземных животных в воздух, тоже неизвестна. Поэтому палеонтологам придется еще много работать, чтобы прийти к определенному решению вопроса.

Ясно лишь то, что для обеспечения способности к полету птицам в ходе эволюции понадобилось пройти целый ряд адаптаций. Птица в полете руководит непосредственно самим процессом, но также она должна взлетать, приземляться, ориентироваться в пространстве не только при благоприятных погодных условиях, но и при порывах ветра, во время осадков, в темноте. Постоянно при полете птицы вынуждены определять и корректировать направление своего передвижения.

Сведение массы тела к минимуму - одно из важнейших условий, необходимых для организации полета, и это характерно для всех летающих птиц. Однако среди них есть рекордсмены - некоторые виды дрофы достигают массы 18-19 кг. При этом они не утратили способности к перелетам.

Отдельные виды класса адаптировали к полету строение передних конечностей - крыльев. От их формы зависит тип, скорость полета, маневренность. Строение и форма перьев тоже играют большую роль в обеспечении способности к полету.

Также адаптирован хвост, строение головного мозга, органов зрения, скелета, мышц, дыхательная система.

Как летают птицы?

Полет различных представителей класса неодинаков. Он зависит от размеров пернатого, его места в экологической нише и других причин.

Различают два основных типа полета: активный (или машущий) и пассивный - парящий. Использование птицами какого-то одного вида полета встречается очень редко. Чаще всего они комбинируют оба типа.

Наблюдения орнитологов за тем, как летают птицы, привели к выводу, что каждый из двух названных типов полета еще подразделяется на виды. Использование того или иного способа зависит от биологических особенностей птицы, ее массы тела, условий обитания.

В связи с этим птицы используют для передвижения хлопающий, трепещущий, волнообразный, вибрационный и другие типы полета. Парящий полет не требует активных затрат энергии. Он осуществляется за счет использования восходящих термических потоков воздуха. Отдельные виды птиц используют динамическое парение, которое становится возможным за счет различной скорости движения воздуха над поверхностью земли и при поднятии на определенную высоту.

Для сохранения энергии птицы используют такие приемы, как зависание, передвижение в воздухе группой, прерывистый полет.

С какой скоростью летают птицы?

Скорость полета птиц - еще одна интересная сторона их жизни. Известно, что при сезонных миграциях пернатые способны показывать удивительную выносливость, поражают и их скорости во время этих путешествий. У разных видов птиц она может колебаться от 50 до 150 километров в час.

При внесезонных перелетах скорости, используемые птицами, могут быть значительно ниже. Стоит лишь отметить сокола-сапсана, который при пикирующем полете за добычей развивает скорость до 320 км/ч.

Высота полета птиц

Во время обычных полетов птицам нет необходимости подниматься на огромную высоту, поэтому они летают близко к поверхности земли.

Особым является вопрос о том, на какой высоте летают птицы во время миграции? Здесь нужно учесть, что на пути их следования встречаются горы. Преодолевая эти участки, птицы вынуждены подниматься на высоту 5500-6000 метров. Известны случаи, когда птиц видели и на большей высоте. Такие перелеты отнимают огромное количество энергии, порой они совершаются на грани возможностей пернатых. Наиболее приемлемой является высота от 1 до 1,5 км.

Мир пернатых обитателей планеты необычайно разнообразен. Птицы способны показывать возможности, которые поражают воображение людей. А ученым они предоставляют немало загадок, которые им еще только предстоит отгадать.

Завоевавшие воздух

Полет птицы

Полет птицы обычно принято сравнивать с полетом самолета. Это сравнение можно проводить лишь до определенных пределов, так как в полете аппаратов с машущими и с неподвижными крыльями есть много различий. Почему птица, которая значительно тяжелее воздуха, все-таки отрывается от земли? Как и в случае с самолетом, это происходит благодаря возникновению аэродинамических сил при поступательном движении. Этих сил две: лобовое сопротивление, стремящееся задержать продвижение вперед, и подъемная сила, поднимающая крыло, а с ним и тело птицы. Чтобы проследить возникновение этих сил, рассмотрим явление подробнее.

Возьмем плоскую пластинку и будем перемещать ее в воздухе (рис. 7). Тогда на нее будут действовать сила тяги и сила сопротивления воздуха. Последняя будет возрастать пропорционально площади пластинки и квадрату скорости движения. При наклонном положении пластинки (рис. 8) она как бы отбрасывает воздух, встречающий ее на пути, вниз, а сама стремится подняться вверх. Реакция воздуха называется силой полного сопротивления. Она, с одной стороны, не пускает пластинку двигаться вперед (лобовое сопротивление), а с другой - поднимает ее вверх (подъемная сила). Угол между горизонтальным направлением и наклоном пластинки называется углом атаки.

У нас получилась почти готовая модель крыла. Осталось только изменить ее форму. Пусть это будет выпукло-вогнутая пластинка, передний конец которой закруглен и утолщен, а задний сходит на нет. Она напоминает профиль крыла птицы (рис. 9).

Ее преимущество в том, что и при нулевом угле атаки, т. е. при движении вперед параллельно своей хорде ab, подъемная сила все равно возникает, что невозможно в случае с пластинкой. При встрече с крылом воздух изменяет свою скорость, она увеличивается над выпуклой поверхностью крыла, а под крыло попадает меньшее число частиц воздуха, и движение их здесь замедлено. Давление воздуха обратно пропорционально скорости его движения. Поэтому под крылом оно увеличено, а над крылом уменьшено. Сгущение струй и наибольшая их скорость у передней, утолщенной части крыла. Максимальную подъемную силу крыло имеет при углах атаки в 16-24°. Это - критические углы атаки.

Подъемная сила возникает в основном между туловищем и кистевым сгибом, а сама кисть крыла, несущая длинные маховые перья, слегка перекручиваясь во время полета, как бы ввинчивается в воздух и создает тягу. Таким образом, главное отличие птицы от самолета в том, что птичье крыло совмещает в себе функции и винта самолета, и его несущих плоскостей, создающих подъемную силу. Вместе они составляют сложнейший аэродинамический комплекс со множеством переменных характеристик, чрезвычайно трудно поддающихся изучению и моделированию. Не вдаваясь в подробности, укажем: представление о том, что птица получает толчок вверх, опуская крылья вниз, а поднимание крыла вызывает опускание птицы, совершенно неверно. Поэтому и приспособлений, уменьшающих сопротивление воздуха при подъеме крыла, у птиц пет. И при подъеме крыла, и при его опускании существует сила, противодействующая силе тяжести. Но тяга возникает только при опускании крыла, да и то лишь в его концевой части: она уравновешивает лобовое сопротивление, действующее во время взмаха.

Желающих подробнее разобраться в механизме полета мы отсылаем к книге Н. А. Гладкова "Биологические основы полета птиц" (М., 1949). Источник энергии для полета лежит в мускулатуре птицы, и работа состоит в преодолении силы тяжести. При неподвижных крыльях источник энергии лежит вне птицы - в движении воздушных масс.

Почему и как летают ? Почему одни могут парить, а другие нет? Почему стая птиц может мгновенно и одновременно изменить направление полета? Человечество издавна задумывается над вопросами, касающимися полетов птиц, насекомых. На многие из них биологи могли бы дать ответ уже сегодня, если бы не одно обстоятельство - если бы воздух не был прозрачным. До сих пор при съемке полета птиц даже высокоскоростной камерой чрезвычайно трудно проследить совершенство полета с точки зрения законов аэродинамики.

Что только не придумывали для облегчения поисков ответа на возникающие вопросы! Так, американский исследователь из Южнокалифорнийского университета Джефф Спеддинг стал использовать при съемках полетов птиц мыльные пузыри, заполненные . Если такой пузырь достаточно мал, например, с булавочную головку, находящийся внутри газ заставляет его стремиться вверх. Этими пузырьками можно заполнить относительно большие емкости. В начале восьмидесятых годов Спеддинг изучал полет . Он заставлял их пролетать сквозь облако таких пузырьков, созданное в большом просторном помещении, а затем высокоскоростной камерой фотографировал оставленный ими в этом облаке след полета.

Съемка показала, что при пролете голубей воздух закручивается совсем не так, как это должно быть согласно теории аэродинамики. При съемке можно было бы использовать и дым, но пузырьки с гелием оказались лучше; за ними было легче следить. Благодаря этому Джефф Спеддинг сумел довольно точно описать, как движется крыло голубя.

Чтобы проанализировать полет птиц, исследователи по традиции полагаются на теоретические законы аэродинамики, выведенные для летательных аппаратов с неподвижным крылом. Но оказалось, что при перенесении их на действия живых существ они уже не верны. Птицы и более сложны, и более совершенны, чем любые из современных летательных аппаратов. Рассматривая птицу как модель , ученые исследуют ее в аэродинамической трубе. Создают они и особые роботы-крылья. И все это делается с целью определить, что же делает птица, когда летит, и произвести соответствующие измерения. Зачем это нужно? Чтобы помочь человеку улучшить конструкции проектируемых им летательных аппаратов и в первую очередь военных самолетов с высокой маневренностью.

Полет птиц за счет мускульной энергии - это чудо, которому люди не перестают удивляться и сегодня. Ведь чтобы поднять в воздух человека с помощью мускулов, нужны крылья размером 42,7 метра. А его грудная клетка должна иметь толщину 1,8 метра, чтобы вместить мускулы, достаточно мощные для производства взмахов.

Птицы, как, впрочем, и летательные аппараты, должны быть легкими, но мощными. Сегодня птицы могут летать, поскольку в процессе их внутренние органы и кости стали намного легче, чем у их предков рептилий. Пример ультралегкой конструкции являет собой океаническая птица фрегат: при размахе крыльев более двух метров его скелет весит менее ста двадцати граммов - вдвое меньше общего веса перьев.

Кстати, летучие мыши - превосходные летуны - также получили в результате эволюции суперлегкие кости. Потому они и висят, отдыхая, вниз головой, просто не могут встать на ноги. Их кости слишком тонки, чтобы выдержать нагрузку тела в стоячем положении. А черепа птиц вообще напоминают скорее яичную скорлупу, чем бронезащиту. Крылья же птиц, состоящие в основном из перьев, являют собой прямо-таки шедевр инженерного искусства природы: легкие и гибкие, но почти не поддающиеся разрушению.

Подъемная сила птицы создается за счет того, что воздух равномерно обтекает изогнутую поверхность крыла. А поступательное движение - за счет взмахов. Они-то и ставят в тупик многочисленных исследователей полета. Крыло - это не просто весло, которым птица «гребет» в воздухе, как полагал Леонардо да Винчи. Некоторые исследователи считают, что птица осуществляет повороты, вывернув внутреннюю часть крыла так, чтобы создать сопротивление на той стороне, куда она поворачивает, подобно действиям с портом сна на каноэ.

Сопротивление воздуха замедляет полет, а ведь от его скорости зависит иногда жизнь или смерть птицы. Американский биолог и летчик Кен Дайал обнаружил, что птицы часто осуществляют поворот за счет наклона крыла вниз, наподобие того, как отклоняются элероны у самолета. Используя рентгеновский аппарат, Дайал провел наблюдения за полетами птиц в аэродинамической трубе, благодаря чему увидел движение скелета во время полета, а также во время вдохов и выдохов птицы.

Совершая различные маневры, птицы должны координировать множество точных движений, начиная от изгибов и полного поворота крыла до изменения амплитуды взмахов. В полете им помогает центральная нервная система, управляющая . Но во многом птицы все же похожи на самый современный истребитель, обладающий высокой маневренностью и управляющийся компьютерной системой, позволяющей производить корректировку на большой высоте за доли секунд. Конечно, у птиц нет компьютера, зато есть крупный мозжечок, а, как известно, именно он участвует в координации движений животных.

Немало известно о полетах птиц и шведскому зоологу и ветеринару Ричарду Брауну. Если к крыше кабины планера прикрепить короткие нити, то при нормальном планировании они спокойно «летят» назад, но как только планер станет терять скорость, воздушные вихри поднимут нити вверх и даже могут направить их вперед - своего рода предупреждение об опасности. Точно так же, считает Браун, тысячи перьев, покрывающих крылья и тело птицы, могут работать как датчики воздушных потоков. Благодаря нервным окончаниям, птица сразу же чувствует движение перьев. Мускулы, на которых расположены перья, в основном действуют как пассивные датчики информации для нервной системы и в меньшей степени как движители. Чувствительные элементы на крыльях и определяют начало турбулентности (вихревого движения при активном перемешивании слоев воздуха) в обтекающем потоке, заставляя птицу изменить темп движения крыльев или несколько опустить их вниз.

Очень важны для птиц и акробатические способности. Ласточки, например, проводящие в воздухе до восьми часов в день, то и дело взмывают высоко в небо и бросаются вниз в погоне за насекомыми. А вот малиновки находятся днем в воздухе всего лишь несколько минут, совершая короткие перелеты, длящиеся обычно несколько секунд. Большая часть их полетов приходится на взлеты и посадки - самые утомительные моменты любого полета. Поэтому многие крупные птицы стараются делать их как можно реже. Грифы, соколы, альбатросы и другие крупные птицы почти все время проводят в парящем полете на воздушных течениях с распростертыми и почти неподвижными крыльями.

Для большей эффективности полета птицы искусно используют характерные особенности своих перьев. Например, грифы, совершая медленный полет по кругу, чтобы не потерять высоту, выпрямляют длинные, жесткие перья на концах крыльев и разворачивают их веером так, чтобы между ними образовались щели, препятствующие перемешиванию воздуха в потоке за птицей. В результате сопротивление снижается, а подъемная сила возрастает.

Сокол же, наоборот, пикируя на добычу, укладывает свои перья так, чтобы сократить площадь их поверхности. Ему нужна скорость, а не подъемная сила. Построить диаграмму полета птицы, пикирующей со скоростью 320 километров в час, непросто, и обычно скорость пикирования определяется приблизительно. Но специалисты надеются, что однажды им удастся вывести формулу построения диаграммы полета, применяемую к птицам любых размеров и форм.

А как летают насекомые? Мелкие осы и жуки, например, как бы гребут крыльями по воздуху, сопротивление которого им только помогает. Они ощущают воздух как что-то вязкое, наподобие сиропа. Им не нужна большая подъемная сила, и если они вдруг прекратили бы свое движение, то стали падать на землю не быстрее, чем комок пыли. Они «плывут» по воздуху, используя свои крылья, покрытые ворсинками, для создания большего сопротивления. При обратном движении крыла ворсинки моментально складываются. Происходит нечто подобное тому, как снижается сопротивление у весла, вынимаемого из воды. Кстати, крупным насекомым летать труднее.

Английский зоолог Чарлз Эллингтон из Кембриджского университета, интересующийся шмелями, в одной из своих работ писал, что по законам аэродинамики шмели летать не должны. Но они летают! Крылья шмелей и других крупных насекомых создают подъемную силу гораздо большую, чем определяет теория аэродинамики. Как это им удается? Теперь, кажется, ответ на этот вопрос получен. Это произошло при изучении полета крупных флоридских бражников (ночных ), имеющих размах крыльев более десяти сантиметров. Когда такой бражник пролетает сквозь дым, который, кстати сказать, его совсем не беспокоит, можно видеть, как воздух вихрями закручивается от его тела к концам крыльев вместо того, чтобы согласно теории аэродинамики плавно обтекать крылья по направлению от их передней кромки к задней. Была построена большая механическая модель бражника (из ткани и меди) с двигающимися крыльями. И робот-бражник тоже создавал вихри, направленные в разные стороны.

Сегодня биологи уже вплотную приблизились к решению загадок: как насекомые и мелкие птицы создают такую большую подъемную силу при малом запасе энергии, как и почему они летают.

Человек всегда завидовал птицам. Как же, ведь они летают, а он не может! Двигатель развития летательного аппарата птиц - добывание пищи. Ну, а как же нелетающие птицы, например, страусы? Эти - исключение из правил. У людей вопрос с решен давно, и теперь, приблизившись к разгадке полета, узнав, насколько нелегко он дается птицам, может быть, не стоит им завидовать?

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что исследования механики полета птиц могут быть очень перспективными в том числе и с коммерческой точки зрения. Ведь если какому-нибудь ученому вдруг удастся разгадать тайну птичьего полета и чего доброго смастерить настоящие крылья, как мифический Дедал смастерил их для себя и своего сына Икара, думаю, такой ученый вмиг стал бы миллионером. Позже появились бы книги об истории его успеха, а еще позже книги по бизнесу (как на сайте /biznes_literatura/buhgalterija__nalogi__audit/) о роли инноваций в бизнес планировании и крылья из средства безграничного полета превратились бы в бухгалтерскую категорию.