Биогидродинамика плавания и полета (Ентов В.М., 1980 - Биогидродинамика плавания и полета), страница 10

— Прим. дед. лтж. Лобттилл Аэродинамические аспекты полети жиеотнмк размах крыльев. Индуктивное сопротивление — кинетическая энергия на единицу длины следа, пропорциональная квадрату импульса, деленному на массу. Это дает для индуктивного сопротивления выражение, приводимое к рис.

41, причем, как оказывается, К принимает значение, близкое к 0.10. При анализе планирования под фиксированным углом 0 мы можем принять подъемную силу Л постоянной, поскаль. ку она должна уравновешивать составляющую силы веса тпдсозВ. Тогда при заданном размахе крыльев Ь полное сопротивление Й принимает максимальное значение нри не. которой скорости К Например, если пренебречь изменением Сог и К, то У есть скорость У и (рис. 41), при которой индуктивное сопротивление равно сопротивлению трения. Птицы не могут устойчиво планировать при скоростях, намного меньших скорости максимального сопротивления, поскольку дальнейшее уменьшение скорости вызвало бы при этом даль. нейшее замедление вплоть до полной остановки.

Аналогично увеличение скорости вызывало бы уменьшение сопротивления, приводя к ускорению вплоть до достижения скорости минимального сопротивления. Пренебрегая изменением величин Сш и К, условие устойчивого планирования У ) У и можно свести к тому, что индуктивное сопротивление не превосходит сопротивления трения. Как показано на рис. 41, это есть условие на полураз.

мах крыльев Ь. Оно означает, что для планирования со все меньшими и меньшими скоростями птица должна все шире раскрывать крылья, как это и наблюдается. На рис. 42 воспроизведена классическая картина орнитологических наблюдений [16], показывающая максимальный размах крыльев при медленном планировании, несколько уменьшенный размах при планировании со средними скоростями и «планирование на согнутых крыльях» с сильно уменьшенным размахом при больших скоростях.

Эксперименты по планированию могут быть проведены в аэродинамической трубе, поток в которой наклонен кверху, так что птица может оставаться неподвижной в лаборатор. ной системе отсчета (точно так же, как в природных усло. виях, та же самая птица может оставаться неподвижной относительно земли, планируя книзу относительно воздуш. ного потока, имеющега равный и противоположно направ. ленный вектор скорости). На рис. 43 показано изменение размаха крыльев, подобное показанному на рис. 42 при трех различных скоростях планирования в такой наклонной аэродинамической трубе [30]. На рис. 44 мы видим медленное планирование совы, бесшумность полета которой помогает ей захватывать добычу врасплох, Отметим, что вихреобразование, создающее аэродинамический шум, сведено к минимуму благодаря «мягкости» совиных перьев (т.

е. тонкости бородочек), наличию гребенки жестких зубцов на передней кромке первого (а иногда и второго) первостепенного махового пера и бахромы на задней кромке крыла [16, стр, 82]. При планировании птиц, когда индуктивное сопротивление не превосходит сопротивления трения, полное сопротивление должно быть заключено в интервале 1 †: 2 значений Рнс. 42. Планнрованне на малых, средних н больших скоростях Пб]: а — медленное планнрованне; б — планирование со слабо согнутыми крыльями; е — планирование с полностью согнутыми крыльями. сопротивления трения. Отсюда следуют (табл.

2) условия, которым должна удовлетворять воздушная скорость У при стационарном планировании под углом 0. При больших 0 (например, при крутом спуске) эти ограничения на У можно ослабить, принимая меры для увеличения Сш (например, опускание птицей ног, рис. 33). Коль скоро условия, указанные в табл. 2, выполняются, птица может подрегулировать шя з!п О) Н (2мдз)п 0)!Н и рдС , рхеш У Рис.

43. Планирование голубя в аэродинемнческой трубе при скоростях! а) 8.6 и/с; б) 12.4 м/с; в) 22.1 м(с [30[. Рнс. 44, медленное бесшумное планирование совы [451, Аэродинами«сс«ие аспекты полета животных Таблица 2 Условия иа воздушную скорость У прн планирования и парении Условие У шя з)п 0 (1 —: 2) '/~рУ'ЯС и! определяет границы для скорости планирования У: При такой скорости наклонного ветра (если оиа больше скорости срыва) птице может оставаться яеподвилсяое.

В восходяи)ем потоке со скоростью о птица может парить горизон- тально со скоростью У, заключенной в пределах полуразмах крыльев таким образом, чтобы выполнялись условия рис. 4[. Теперь мы видим, каким образом крупные птицы могут оставаться постоянно в воздухе, «не совершая работы» (в техническом смысле). Они действительно могут удерживаться неподвижно относительно земли, коль скоро им удается найти ток воздуха, наклоненный кверху под углом О и имеющий скорость, удовлетворяющую условиям, указанным в табл. 2. Крупные птицы часто используют таким образом направленные вверх токи, которые они легко находят на наветрснной стороне скал, холмов н высоких зарослей. В жарких странах крупные птицы также широко пользуются «термиками» вЂ” областями входящих конвектнвных токов со скоростью, скажем, п.

В таких восходящих токах птица может поддерживать состояния непрерывного горизонтального движения (обычно делая горизонтальные краги), не совершая работы. При воздушной скорости [Т синус угла планирования О относительно воздуха равен о/У; следовательно, движение по кругу возможно при воздушных скоростях, заключенных в пределах, указанных в нижней вз Аэродинамические аспекты полета жиеогнь1х Дж..7айгхилл 62 части табл. 2, сали только эта скорость больше скорости срыва.

По утрам, по мере того как земля прогревается и скорости восходящих токов о возрастают, это условие прежде всего выполняется для птиц с наименьшей нагрузкой на крыло гпя/5 (например, в скрупулезных наблюдениях Хэнкина !!3] для определенного вида коршунов) и лишь потом для птиц с более высокой нагрузкой на крыло (например, грифов). На море термики не наблюдаются, но постоянно дуют ветровые потоки со сдвигом (рис. 45). Альбатрос Р)ошег(еа знаменит своей способностью длительное время летать, «не совершая работы», т. е. извлекая энергию из градиентного (й(г! + н',а,'ю') Рис.

48. Теория пврення альбатроса. Уравнения для скорости альбатроса (ь', о' ш') н системе отсчета, движущейсн со скоростью ветра (й(г), О, О), содержат дополнительную силу инерции — тт'йй/аг. В этой системе отсчета средняя скорость изменения полной энергии '/зт (и" + оа р та) + тйг = средняя скорость совершения работы силой инерции — средняя скорость потерь энергии нв сопротивление воздуха. †г'и' ай/г(г положителен, если величине и'э' отрицательна Первый член— ветрового потока. В существенной своей части объяснение этого явления было предложено уже Рэлеем [34], однако я дам зд ам здесь изложение его в современных терминах, предло- 1 женное мне проф.

Коррсином ). Независимо от положения альбатроса мы используем, как и прежде, систему отсчета, в которой воздух локально находится в покое (рис. 45). В такой системе отсчета, испытывающей горизонтальное ускорение цЯй/с(г (положительное, когда альбатрос поднимается), уравнения движения имеют обычную форму, не считая наличия дополнительной «силы инерции», равной с обратным знаком произведению э) Практически то же изложение, вплоть до перехода к подвижно й системе координат, содержится в известной статье Н.

Е. Жуковского «О парении птиц» (собр. соч., т. 1Ч. — Мс1 ГИТТЛ, 1949), опубликованной з 1891 г. — Прим. ред. массы на ускорение системы отсчета. Как обычно, из них следует уравнение энергии, записанное под рис. 45 в форме, осредненной по большому промежутку времени. В левой части этого уравнения стоит средняя скорость изменения полной энергии движения птицы относительно воздуха — кинетической и потенциальной. Очевидно, потенциальная энергия испытывает подъемы и падения в соответствии с подъемами и спусками птицы, но не может изменяться в среднем, так что фактически левая часть — это средняя скорость изменения кинетической энергии движения относительно воздуха.

Если бы эта скорость была отрицательной, воздушная скорость птицы имела бы общую тенденцию уменьшаться до тех пор, пока не произошел бы срыв обтекания. В правой части этого уравнения последний член действительно отрицателен — аэродинамическое сопротивление Р в любой момент времени снижает энергию птицы относительно воздуха (отметим, однако, что перпендикулярная сила х.

не совершает работы). Однако первый член (средняя скорость совершения работы силами инерции) может быть положительным, если среднее значение и'пэ' отрицательно, благо. даря чему может быть достигнуто стационарное в среднем состояние, подобное тому, которое достигается при движении типа изображенного на рис. 45 (причем движение птицы относительно воздуха происходит в основном под углом около 45').

В аэродинамике это условие представляет собой хорошо известное условие извлечения турбулентным вихрем энергии из сдвигового потока. У альбатроса выработалась эффективная техника достижения этой цели при помощи таких затяжных планирующих спусков с ускорением вниз и опережением по ветру, чередующихся с короткими подъемами с замедлением и с отставанием от ветра. На рис. 46 показано, как один из видов альбатроса (Рюгпес(еа !пппп(аЫ)!з) выглядит в таком полете.