Биогидродинамика плавания и полета (Ентов В.М., 1980 - Биогидродинамика плавания и полета), страница 3

Я подробно рассмотрю аэродинамику равномерного полета насекомых„птиц и летучих мышей и лишь потом разберу многочисленные иные формы полета; повороты, быстрый спуск (пикирование), парение, взлет, приземление, трепещу1ций полет («зависание») и т. д. У всех этих животных подъемная сила и тяга создаются одними и теми же аэродинамическими поверхностями, т, е. совсем по-иному, чем у летучих рыб, у которых тяга и подьемная сила создаются порознь.

Конечно, есть многочисленные группы рыб, которые никогда не покидают воду, но вынуждены создавать помимо тяги и некоторую гидродинамическую подъемную силу, поскольку их вес превосходит выталкивающую силу. Некоторые из них, подобно голубой акуле (рнс. 6), получают большую часть необходимой подьемной силы от крупных грудных плавников, установленных под фиксированным положительным углом атаки, в то время как рыба продвигается вперед в результате волнообразных движений хвостового плавника и задней части тела.

З) Термин сагапяцотш, переводимый иногда как «ставрядовндный» нлн «карангондньш», здесь и далее переводится в соответствия с тсрмянологней Н. В. Ко«шайс«ого (Очерк бнолоп!ческой аэро- н гндродннамнкн. — Мс Наука, !974, с. 153) как «скомброндный». — Прим. рвд, 17 Лэродинамические аспекты полета животных дж. Ладтхилл Однако, в отличие от такого разделения тяги и подъемной силы, у каждого из животных, способных к непрерывному полету, для создания обеих сил используются одни и те же поверхности. Машущее движение, необходимое для этого, можно рассматривать как суперпозицию (рис. 7) «скомброидного» движения, широко используемого морскими животными для создания тяги, и простого движения с постояннйм Рис.

б. Голубая акула Рпопасе 21анса [22]. Рис. 7. Наложение «скомброидного» движения, создающего тягуо и движения, создающего подъемную силу [22). Горизонтальная стрелка пока- зывает направление движения. углом атаки, используемого для создания подъемной силы в летательных аппаратах с неподвижным крылом и летучими рыбами. Напомню, что движения хвоста «скомброидиого движителя» складывается нз поперечных (из стороны в сторону) колебаний и поворотов в каждой крайней точке колебания, так что у поперечного движения всегда есть компонента, направленная назад. Кггтообразные млекопитающие используют для создания тяги те же движения хвостового плавника, но уже вверх и вниз, как это показано иа рис. 7; вновь в крайних точках каждого колебания происходит поворот.

Таким образом, движение, показанное в левой части рис. 7, представляет собой типичный для водных животных механизм создания тяги без подъемной силы. Налагая иа него простое движение с постоянным углом атаки для создания подъемной силы, показанное в середине рисунка, мы получим показанное в правой части рисунка достаточно близкое изображение того нормального машущего движения крыльев, посредством которого насекомые, птицы и летучие мыши создают тягу в сочетании с подъемной силой. Я могу заметить, что существуют также некоторые рыбы, живущие в толще воды [кстати называемые скатами-орляками (МуИоЬа[!с)ае)), у которых движения грудных плавников перестроились наподобие взмахов крыла таким образом, чтобы создавать н тягу, и подъемную силу, необходимую для компенсации избыточного веса в воде [26, стр.

Зб). При таких машущих движениях во время активного направленного полета крыло остается приблизительно горизонтальным во время сильного взмаха вниз, а затем, для того чтобы совершить взмах вверх, поворачивается до сильно наклонного положения. Заметим, что динамическое действие воздуха, создающее тягу, противодействует движению крыла как при взмахе вверх, так и при взмахе вниз.

Аэродинамическая подъемная сила при взмахе вниз также противодействует движениям крыла, которое при этом оказывается очень сильно нагруженным. Однако при взмахе вверх аэродинамическая подъемная сила направлена по движению, противодействуя силе, создающей тягу.

Поэтому крыло при взмахе вверх находится в значительно менее нагруженном состоянии, и взмах вверх часто рассматривают как «замах». Эти соображения могут помочь нам понять некоторые факты относительно скелета и мышц летающих животных. Типично, что мышцы, осуществляющие с большим усилием взмах вниз, действительно оказываются развитыми очень сил;но — гораздо сильнее, как мы этом увидим потом, чем мып цы, ведающие более слабым взмахом вверх.

Они могут поэтому прикладывать к крылу большой момент, необходимый для взмаха вниз, будучи прикрепленными к весьма глубоким элементам скелета, а именно у позвоночных (с внутренним скелетом) — к характерной килевидной грудине, как у птиц н многих летучих мышей, а у насекомых (с внешним скелетом) — к глубокому коробчатому«фюзеляжу» груди. Аэродинажи«егкие асаекты полета животных 47ж.Лайтхилл !8 Насекомые При детальном исследовании аэродинамики горизонтального полета как летательных аппаратов, так и животных может оказаться весьма полезной аэродинамическая труба. Горизонтальный полет насекомых был впервые подвергнут детальному исследованию в аэродинамической трубе Вейс-Фо и Йенсеном [41[ — зоологом и аэродинамиком, работавшими в чрезвычайно плодотворном сотрудничестве.

Они провели обширное исследование полета саранчи ЗсЫз(осегса цгедаг!а из отряда Ог()зор1ега. Исследуемое насекомое подвешивалось в аэродинамической трубе на аэродинамических весах таким образом, чтобы не препятствовать движениям груди (к которой прикрепляются четыре крыла). Система регулирования с обратной связью, управлявшая скоростью вращения вентилятора аэродинамической трубы по горизонтальной силе, измеряемой аэродинамическими весами, позволяла воспроизводить условия свободного равномерного полета: скорость воздушного потока, при условии, что насекомое машет крыльями регулярно, автоматически подстраивалась таким образом, чтобы полная горизонтальная сила, измеряемая весами, обращалась в нуль.

При этом гидродинамическое сопротивление и тяга уравновешивали друг друга, как в свободном полете. Типичное исследуемое насекомое имело массу 2 г и крылья длиной 4 см. Эксперименты проводились в диапазоне параметров, близких к средней подъемной силе, охватывающем случай полного уравновешивания веса насекомого. Типичная скорость поле~а была 4 м/с, что соответствовало числу Рейнольдса, рассчитанному по хорде с переднего крыла Ус/т, близкому к 2000.

Типичная частота взмахов крыльев была равна 20 Гц, так что параметр стандартной аэродинамической частоты оэс/У принимал весьма низкое значение, близкое к г/4 (соответствующее значение для заднего крыла ~/з). Вообще для данных, имеющихся по непрерывному направленному полету насекомых, птиц [28[ и летучих мышей [7], параметр частоты, рассчитанный по угловой частоте оэ, хорде с крыла и скорости полета относительно воздуха У, лежит между 0 н '/з (хотя приходится признать, что данные, в которых оэ и У измерялись одновременно, чересчур отрывочны). Для таких значений стандартной частоты (( '/з) аэродинамические силы лишь незначительно отличаются ог так называемых квазистацнонарных значений, определяемых в каждый момент лишь мгновенной скоростью крыла относительно воздуха. !(апример, на рпс. 8 показано, как двигалось относительно воздуха сечение переднего крыла саранчи (фактически сечение на половине длины нрыла) в опытах Вейс-Фо н йенсена.

Отметим в особенности длительный взмах вниз, при котором хорда крыла почти параллельна направлению среднего движения (что очень похоже на схему рис. 7). На протяжении этого взмаха имеется очень много времени для того, чтобы на крыле установилась стационарная аэродинамическая сила, направленная почти под прямым углом к направлению движения крыла через воздух и поэтому имеющая компоненты как тяги, так и подъемной силы. После быстрого разворота крыла, называемого «пронацией» (крыло при этом становится более «склоненным», или, пользуясь авиационным Рнс.

8. Движение относительно воздуха среднего сечении переднего крыла Ясп!з!осегса Кгеяаба [4Ц; ! — »-образная форма сечения крыла; л — взмах вниз. термином, уменьшается угол тангажа), непосредственно перед взмахом вниз, квазистационарные значения этих составляющих сил достигаются, по-видимому, уже на расстоянии нескольких длин хорды. Другой разворот крыла, называемый «супинацией» (увеличение угла тангажа), указывает на переход к взмаху вверх со значительно меньшей нагрузкой и большим положительным углом тангажа профиля относительно направления среднего движения (вновь как на рис.

7). На рнс. 9 показана трехмерная картина движений, происходящих при пронации и супинации. Здесь дано также использованное Вейс-Фо н Иенсеном [41[ определение угла атаки как угла гх между направлением крыла на задней кромке и относительным ветром (движением воздуха относительно хорды крыла). На рис. 10 показан стандартный взмах крыльев саранчи ЯсЫз(осегса цгецаг!а в виде графика угла подъема крыла у' как для передних, так и для задних крыльев. Здесь у' — угол между линией, направленной вдоль крыла, и направленной 20 Дж. Лабтхалл 21 зп ь по 1.2 с б в 0.8 ейла[м)]]й5апя,~п~пзппые и Ол вниз вертикальной плоскостью. Отставание по фазе движения передних крыльев относительно задних характерно для четырехкрылых насекомых вообще.

Аэродинамическое взаимодействие двух пар крыльев было оценено Вейс-Фо и Р!еисеиом [41] как значительное, ио ве играющее главной роли: эффективный угол атаки заднего крыла уменьшается примерно иа 2' благодаря отклонению вниз потока за передним Напраелелае пелема Рис. 9. Опрсделекие пронзаии, супинапии и угла атаки а [41], а — про- нання; б — неокрученное крыло; в — супинапия. О 40 60 г,мс Рис. 1О. Стандартный взмах крыла Бс)ймосегса ясеяапа (4!]; у' — угол подъема крыла; 1 — время, отсчитываемое от момента, когда задние крылья прошли половину взмаха вверх; ! — задние нрылья; 2 в передние крылья.