Биогидродинамика плавания и полета (Ентов В.М., 1980 - Биогидродинамика плавания и полета), страница 8

Зарисовки попугая прн медленном (а), среднем (б) н быстром (в) по скорости полете [13). используется маятниковый эффект, причем с увеличением скорости крылья все сильнее сдвигаются к хвосту. Напротив, при медленном полете они смещены к голове, а хвостовые перья распущены. Следует заметить, что при этом они повышают устойчивость не только обычным образом, но и создавая дополнительный элемент сопротивления, расположенный ниже центра масс, для противодействия сопротивлению крыльев (которое увеличивается при больших углах атаки), расположенных над ним.

Управление направлением полета у всех летающих животных полностью основано на принципе поворота с наклоном; в качестве примера см. рис. 37, на котором показана небольшая бурая летучая мышь Муо(гз в повороте с крутым наклоном. Чтобы вызвать крен, используется управляющее воздействие, в общих чертах подобное действию элерона. Однако Хэнкин [13, стр. 68 и 114) описывает детальные наблюдения, которыми устанавливается, что антисимметрнчные движения элеронов самолета (лри которых элероны на противоположных крыльях движутся в противоположных Аэродинамические аспекты лолета вхивотных направлениях) не имеют места. Птица обычно начинает поворот вправо с поворота одного лишь правого крыли (в лумезапястном суставе), уменьшая его угол атаки вблизи конца, так что оно опускается вниз, создавая наклон.

Более быстрое изменение наклона тела иногда достигается путем поворота всего крыла от плеча. В обоих случаях новое положение будет устойчиво поддерживаться, если поворот крыла уменьшается до нуля благодаря присущему любому крылу сильному затуханию при крене, при котором углы атаки увеличиваются на опускающемся крыле и уменьшают- ся на поднимающемся. Данное выше краткое обсуждение систем «тактического» управления полетом животных можно дополнить еще более кратким обсуждением «стратегического» управления, особенно ярко проявляющегося при миграции летающих животных.

Птицы особенно примечательны своей способностью к точному стратегическому управлению лерелетамл между четко определенными местами летцего и зимнего обитания илц Аэродинамические аспекты полета животных бо о1 Лж,Лайтхилл местами кормежки и гнездовьями.

Прекрасное общее описание миграций птиц дано Дорстом [6]. Миграция птиц обычно происходит со скоростями, превосходящими обычные «крейсерские» скорости [6, стр. 213]. Встречные ветры не оказывают влияния на выбор птицами направления, и они часто компенсируют влияние ветра увеличением воздушной скорости. При перелетах над сушей они периодически садятся для отдыха и питания. Однако многие птицы, неспособные находить корм в море, продемонстрировали способность к «полету без заправки» на расстояние в 1000 км и более. Многие виды гусей, уток, пеликанов, журавлей и ржанок обычно совершают перелеты в треугольном строю [6, стр. 260].

Они почти наверняка выгадывают таким образом в аэродинамике, а также и в удобствах обзора для поддержания единства стаи. В пользу соображения о том, что каждая птица, кроме самой передней (в вершине треугольника), тратит меньше сил, поскольку летит в спутном потоке птицы, летящей впереди и сбоку от нее, говорит тот наблюдаемый факт, что в продолжение полета происходит смена лидера по кругу. Надежно установлено, что (как и следовало ожидать) в системе точной навигации, к которой птицы показали себя способными, широко используются ориентиры всех видов.

Однако птицы продемонстрировали значительные навигационные способности и в отсутствие каких-либо ориентиров, Озадачивающий вопрос о том, как они это делают, интенсивно изучается на протяжении многих лет. Накопленные на разных направлениях исследования доказательства все больше и больше вынуждают орнитологов признать, что птицы обладают надежными внутренними биологическими часами, с помощью которых они способны использовать для навигационных целей астрономические наблюдения (особенно положение и высоту солнца).

Напротив, наличие каких-либо иных методов индикации положения, использующих другие физические эффекты, остается недоказанным, хотя и весьма активно исследуется до сих пор. Миграции насекомых во многом отличаются от перелетов птиц [18], особенно из-за того, что воздушные скорости, которые они могут развить, намного ниже. Вследствие этого они в большей степени находятся во власти ветра, и намного менее вероятно, чтобы они могли по собственной воле выбирать направление полета. Действительно, энтомологи пользуются специализирован.

иым определением аэродинамического термина «пограничный слой», и притом своим для каждого вида насекомыХ, Согласно их терминологии, пограничный слой означает ту область, которая достаточно близка к земле, чтобы скорость ветра в ней была меньше скорости насекомого. Для некоторых видов, включая бабочку американского монарха Рапапз р1ех(ррцз, было доказано, что они совершают миграции внутри своего пограничного слоя, Эти миграции не носят характера перелетов между точно определенными летними и зимними местами обитания, а характеризуются общей тенденцией к перемещению к северу или к югу, что можно объяснить стремлением' следовать за солнцем осенью и улетать от солнца весной [5, стр.

243]. Значительно шире круг насекомых, которые, обладая вполне выраженным инстинктом к миграции в отдельные периоды их жизненного цикла, не проявляют какой-либо тенденции к миграции в определенном направлении. Их стремление состоит скорее в том, чтобы начать активно летать как раз за пределы их пограничных слоев в область, где ветер может нести их «куда пожелает». Такие стремления имеют определенные преимущества в обеспечении расселения видов насекомых. На практике обеспечиваемые таким образом перемещения не являются исключительно горизонтальными. В атмосфере имеются значительные области восходящих токов, как упорядоченных, так и случайных.

В результате насекомых весьма часто находят на значительных высотах. Действительно, средняя плотность насекомых на высоте ! км снижается лишь до 10о~о от плотности на высоте 60 м '[18, стр, 296]. Эти насекомые, образуют тот обширный аэро- планктон, которым питаются стрижи (см. разд. «Птицы»).

Не следует считать, что насекомые, уносимые на такие большие высоты, не дают статистически значимого вклада в будущее своих видов. Нужно помнить, что насекомые обычно способны выдержать 5 — 10 часов полета (см., например, [15]) и что нисходящие потоки статистически столь же обычны, как и восходящие. Поэтому многие насекомые, унесенные на значительную высоту, впоследствии вновь начи. нают процветать в некоторых новых условиях. В межтропических зонах конвергенции метеорологические тенденции (математически говоря, отрицательная горизонтальная дивергенция вектора скорости) таковы, что способствуют концентрации насекомых. Отдельные экземпляры саранчи в стае находятся в состоянии энергичного полета, но все они летают в различных направлениях [5, стр. 246]. Однако ветровая конвергенция приводит к их все большей и большей концентрации, что, конечно, ведет в результате к опустошениям.

Дж. 27аетхплл Аэродпномпческие пеленги полета животных Подобие (масштабиыэ эффеиты) При рассмотрении миграции я указывал, что большие летающие животные (например, птицы) достигает намного больших воздушных скоростей, чем мелкие (например, насекомые). В ч. 2 нам встречались значения крейсерских скоростей (4 м/с для саранчи массой 2 г и 10 м/с для голубя массой 500 г), для которых прослеживается та же тенденция. Для самих насекомых общая тенденция возрастания воздушных скоростей (ордината) с увеличением некоторого характерного размера (абсцисса) показана на рис.

38. Этот общий результат ни в коей мере не является неожиданным для тех, кто знаком с общей концепцией воздухоплавания, что в большем летательном аппарате требуется большая нагрузка на крыло и потому более высокая характерная скорость. На рис, 39 воспроизведена знаменитая диаграмма Кармана )19), показывающая нагрузку на крыло птиц (фунт/фута) в зависимости от их веса (фунт), причем на той же диаграмме приведены данные для первых самолетов. При изменении масштаба длины 1 вес должен меняться как /а, а площадь крыла — как 12, откуда следует, что нагрузка крыла меняется как 1, и потому как кубический корень из веса.