Полет птиц

03.02.2016

Различаются несколько видов полета птиц: 1) планирующий, или скользящий, полет, когда птица летит с более или менее распростертыми крыльями, не двигая ими, или опускаясь вниз с высоты, сохраняя или увеличивая скорость за счет высоты, или сохраняя высоту и даже поднимаясь вверх, но теряя скорость; 2) парящий, или парусный, полет, когда птица летает, не двигая крыльями, сохраняя и высоту и скорость полета или даже увеличивая их за счет силы движения воздуха; 3) гребной или пропеллирующий полет (обычный вид полета), когда птица машет крыльями и тем осуществляет опору о воздух и поступательное движение. Этот последний вид полета имеет ряд разновидностей, из которых особого внимания заслуживает вибрационный или пульсирующий полет, когда птица с помощью чрезвычайно быстрых движений крыла или висит в воздухе, или двигается и притом может не только вертикально подниматься вверх, но даже двигаться назад.

Теория полета птиц в настоящее время разработана в связи с успехами воздухоплавания очень подробно. В общем летящая птица подчиняется законам движения пластинок в воздухе. Теория движения таких пластинок и многочисленные эксперименты установили следующее:
1. Если пластинка двигается в воздухе под некоторым углом α (угол атаки) к оси движения (рис. 487), то давление встречного воздуха на пластинку R будет направлено почти перпендикулярно к ней, разлагаясь на подъемную силу P и лобовое сопротивление Q. Подъемная сила и лобовое сопротивление возрастают прямо пропорционально площади пластинок и квадрату скорости движения.
Для получения больших скоростей выгоднее малый угол наклона пластинки, а при большой скорости увеличение угла α до известных пределов ведет к увеличению подъемной силы.
Центр давления (точка приложения давления на пластинку снизу, точка опоры о воздух) тем ближе передвигается к переднему краю пластинки, чем быстрее она двигается.
2. В продолговатых пластинках давление зависит от положения пластинки, а именно — пластинки, поставленные длинной своей стороной перпендикулярно направлению движения, получают большее давление снизу, а потому более выгодны для полета.
3. Вогнутые пластинки дают большую подъемную силу, чем плоские, причем:
а) направление равнодействующей наклонено вперед, вследствие чего такая пластинка сохраняет свою подъемную силу не только при горизонтальной, но даже при несколько наклонной вперед хорде;
б) если передняя сторона такой пластинки утолщена, то она нe только не увеличивает лобовое сопротивление, а, наоборот, оказывает благоприятное действие па подъемную силу и лобовое сопротивление (рис. 488), тогда как такое же утолщение задней стороны очень неблагоприятно;

в) лучшие изгибы кривизны дают 1/10—1/15 стрелы прогиба;
г) для устойчивости оказывается полезным отгиб задней части пластинки несколько вверх.
4. Устойчивость движущейся пластинки достигается:
а) расположением центра тяжести ниже плоскости опоры и тем, что точки приложения равнодействующей аэродинамических сил совпадают с центром тяжести;
б) наличностью позади главной несущей плоскости еще дополнительной плоскости так называемого стабилизатора.
В общем горизонтальный полет определенной скорости летящего объекта с крыльями (птицы или самолеты) определяется следующими формулами:
1) P = G = CypSV2
2) Q = F = CxpSV2,
где P — подъемная сила, G — вес, Q — лобовое сопротивление, F — сила тяги, р — плотность воздуха, S — площадь несущей поверхности, F— скорость движения, Cy и Cx коэффициенты пропорциональностей (подъемной силы и лобовых сопротивлений) и основном зависящие от качеств несущей поверхности (формы крыльев) и угла атаки.
Плоскость опоры о воздух у птиц представлена крыльями и хвостом. Крылья птиц удовлетворяют именно всем вышеуказанным требованиям; они вытянуты в направлении, перпендикулярном полету, представляют пластинки, выгнутые вверх с утолщенным передним краем и выпрямленной задней частью. Последняя эластична и может отгибаться вверх. Хвост выполняет роль стабилизатора.
Общая форма тела с острым клювом, маленькой головой и плотно прилегающим к телу оперением представляет наименьшее сопротивление воздуху.

Центр тяжести у птиц лежит значительно ниже плоскости опоры, что достигается высоким положением крыла и тем, что все тяжелые органы птицы — пищеварительные органы и грудные мускулы — находятся снизу, а легкие и воздушные мешки лежат выше. Такое положение центра тяжести придает летательному аппарату птицы большую устойчивость. Самая плоскость опоры о воздух, т. е. крылья и хвост, может по произволу легко уменьшаться, что достигается большим или меньшим расправлением крыльев и хвоста. Таким образом, птица может менять отношение площади крыльев к весу своего тела. Между тем, чем больше плоскость опоры о воздух, тем большее сопротивление испытывает падающая вертикально вниз горизонтальная плоскость. Если же такая плоскость двигается вперед, то она встречает сопротивление воздуха, которое увеличивается пропорционально квадратам скорости и прямо пропорционально плоскости сечения, проведенной под прямым углом к направлению движения.
Таким образом чем быстрее летит птица, тем легче ей держаться в воздухе. Ho так как летящей птице приходится преодолевать также сопротивление воздуха в направлении движения, то естественно, что птица при движении вперед постепенно теряет раз полученную скорость; вместе с уменьшением скорости будет уменьшаться сопротивление воздуха снизу, и птица принуждена будет опускаться. Чтобы не опускаться, птица должна вновь приобрести скорость, соответственно увеличив маханием крыльев силу тяги.
При движении плоскости играет большую роль тот угол, который она образует с осью движения, угол атаки. От величины этого угла, как мы видели, зависит сила, поднимающая птицу вверх, а также лобовое сопротивление.
Изменений этого угла достигается перемещением центра тяжести. При увеличении быстроты полета птица должна переносить центр тяжести все более вперед, чтобы центр опоры совпал с центром тяжести.
Скользящий, или планирующий, полет возможен только при негоризонтальном полете, именно когда он направлен косо книзу. Движущей силой в этом случае является сила тяжести птицы. Отношение площади крыльев к весу птицы обусловливает при определенной скорости и при определенном положении крыла по отношению к встречному течению воздуха (угол атаки) угол планирования, т. е. угол направления полета к горизонтальной плоскости. Чем больше площадь крыла, чем меньше вес птицы и чем быстрее полет, тем меньше может быть угол планирования.
Уменьшая площадь крыльев, птица может достигнуть большей скорости скольжения и может эту быстроту движения использовать для подъема вновь на известную высоту.
Управляют птицы своим скользящим полетом разными способами. Во-первых, птица легко может увеличивать и уменьшать площадь плоскости опоры о воздух, расправляя или складывая крылья п хвост; во-вторых, она может перемещать центр опоры о воздух но отношению к центру тяжести двояким образом: или, сохраняя положение центра тяжести, изменять положение центра опоры, сгибая крылья, распуская хвост и т. д., или переносить центр тяжести, вытягивая шею вперед или втягивая ее назад; последнее, впрочем, имеет значение лишь у птиц с длинной шеей. Это перемещение центра опоры в отношении центра тяжести может вести к изменению угла атаки крыла, т. е. угла плоскости крыла к встречному движению воздуха, а вместе с тем и к изменению угла планирования.
У птиц разной величины площадь крыльев изменяется пропорционально квадрату, а вес птицы изменяется пропорционально кубу.
Отсюда и из приведенных выше формул видно, что с увеличением птицы втрое площадь крыла увеличивается в 9 раз, а вес птицы увеличится в 27 раз. Следовательно, птица должна увеличить подъемную силу тоже в 27 раз. Так как несущая поверхность крыла при этом увеличится в, 9 раз, то для сохранения высоты необходимо увеличение скорости в √3 раз. При этом лобовое сопротивление увеличится тоже в 27 раз, и птица должна соответственно произвести большую работу, чтобы увеличить скорость в √3 раз.
Из этого следует, что птицы крупные тратят гораздо больше энергии, чем мелкие птицы. Этим, невидимому, кладется известный предел увеличению размеров птиц вообще. Вероятно, поэтому крупные птицы часто пользуются именно парящим, а не гребным полетом.
Птицы, быстро спускающиеся вниз, складывают свои крылья и распускают хвост; центр опоры о воздух передвигается значительно назад по сравнению с центром тяжести, и планирующая плоскость нагибается передней стороной вниз. Наоборот, когда птица хочет выравнять свой планирующий полет или подняться кверху, она распускает крылья и передвигает их вперед: центр опоры о воздух становится впереди центра тяжести, и у планирующей плоскости передняя сторона поднимается вверх; тот же эффект достигается опусканием хвоста вниз. Поворот вправо и влево достигается или сгибанием соответствующего крыла, или поворачиванием головы, пли вытягиванием в соответствующую сторону шеи, или поворотом распущенного хвоста в противоположную сторону.
Гребной, или пропеллирующий, полет. При этом типе сохраняются условия скользящего полета; к ним присоединяется еще поступательная сила — сила тяги, которая достигается взмахами крыльев. Чем больше скорость движения птицы, тем легче птице держаться в воздухе; поэтому понятно, что на получение именно начальной скорости птице приходится затрачивать больше всего энергии. Встречный ветер в этом отношении оказывает птице некоторую помощь, так как при определенной силе и определенном отношении площади крыльев к весу птицы ветер может поднять птицу вверх подобно воздушному змею. Поэтому все птицы при ветре поднимаются на крылья, становясь против ветра. В других случаях первоначальная скорость достигается разбегом или прыжками, после чего уже птица поднимается вверх. Или, наконец, птице приходится делать частые и сильные взмахи крыльями, чтобы получить начальную скорость. При этом крылья иногда ударяются концами одно о другое за спиной, производя у разных видов птиц характерный звук при подъеме. Затрата энергии при подъеме так велика, что птицы, которым приходится несколько раз кряду подниматься и спускаться, легко обессиливают. Есть птицы, которые вовсе не могут подняться с горизонтальной поверхности и начальную скорость, необходимую для полета, получают, падая вниз с высоких предметов, как, например, стрижи.
Для поднятия птицы на воздух необходимо, чтобы оба крыла могли захватить определенную по отношению к весу тела массу воздуха. Отсюда понятно, что птицы с небольшими короткими крыльями машут крыльями гораздо чаще, чем птицы с большими крыльями. Так, воробей при полете делает 13 взмахов в секунду, утка — 9, ворона — 3—4, аист — 2 и пеликан — 1 1/6.
На поднятие крыла птицы вообще затрачивают меньше времени, так что в среднем время, потребное на поднимание, относится ко времени опускания, как 2:3.
Как видно из прилагаемой моментальной фотографии (рис. 489), во время полета птица двигает крыло не только вниз, но и вперед.

При поднимании крыла сопротивление воздуха уменьшается тем, что крыло сверху выпукло, что при поднятии оно несколько согнуто в сгибе и направлено задней частью книзу, и, наконец, тем, что маховые, благодаря большей ширине внутренних опахал, расходятся, пропуская воздух.
Получив достаточную поступательную скорость полета, птица уже не нуждается в затрате большой энергии, ей необходимо лишь сохранить приобретенную скорость; так как сопротивление воздуха движущейся поверхности снизу возрастает, как мы видели пропорционально квадрату скорости движения, то птица при быстром полете при прочих равных условиях будет подниматься вверх. Отсюда быстро летящие птицы и реже машут крыльями и уменьшают поверхность плоскости опоры, складывая крылья и хвост. Так, галка, например, при подъеме делает около пяти взмахов в секунду, а разлетевшись — только три взмаха.
Многие мелкие пташки, сделав несколько быстрых взмахов крыльями и поднявшись на некоторую высоту, затем складывают крылья, летят несколько секунд без взмахов, немного опускаются при этом, затем вновь машут крыльями, поднимаясь на первоначальную высоту, вновь перестают махать и т. д. Здесь, благодаря незначительному весу и более благоприятному соотношению между весом и площадью крыльев, мелкие птицы при гребном полете, махая крыльями, очень быстро увеличивают подъемную силу.
Парящий полет птиц, или парение, изучено теперь очень хорошо благодаря разработанной теории летательных машин без двигательных аппаратов — планеров. Птица вовсе не двигает крыльями, а между тем не только сохраняет скорость, но может подниматься вверх. Такой полет мыслим в том случае, когда птица использует горизонтальные или, еще лучше, негоризонтальные воздушные течения или неоднородность воздушных течений в горизонтальном и вертикальном направлениях. Различные воздушные вихри, завихрения, пульсация воздуха (так называемая турбулентность воздуха) обусловлены разного рода причинами: например, неравномерным нагреванием разных частей земли, благодаря чему согретый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз; препятствиями, которые встречают на своем пути воздушные течения в виде гор, лесов, волн и т. п. Для использования воздушных течений необходимы некоторые условия. Во-первых, необходима известная абсолютная и относительная величина крыльев. Хорошо парящих птиц, которые могут парить даже при малейших, как будто бы незаметных движениях воздуха, мы находим именно среди крупных видов птиц с мощными крыльями. Таковы грифы Старого и Нового Света, жители преимущественно гор, где, как мы видим, турбулентность воздуха должна быть особенно сильна. Далее, хорошо парят орлы и другие крупные хищники, аисты, вороны, чайки, буревестники, пеликаны и многие другие. Все это или крупные птицы с мощными крыльями, или птицы мелкие и средней величины с очень длинными крыльями.
Во-вторых, необходимо некоторое определенное строение крыльев, именно: они должны быть достаточно длинны по сравнению с шириной, примем здесь мы встречаем два типа крыльев. Первый тип мы находим у материковых птиц: крылья относительно широки, и первостепенные маховые могут широко растопыриваться. У морских птиц — буревестников и чаек — крылья очень длинны, узки и остры. В обоих случаях птицы управляют своим полетом одинаково, каждую минуту меняя сообразно с потребностью величину поверхности крыльев: первые — путем большего или меньшего растопыривания маховых и распусканием хвоста, вторые — сгибанием крыла.
Интересно, что парение в большинстве случаев сопровождается кружением. При этом птица описывает большие или меньшие круги над одним и тем же местом, то поднимаясь, то опускаясь без малейшего движения крыльями.
При сильном ветре птица позволяет относить себя назад, держась в направлении, встречном ветру, постепенно поднимаясь и уменьшая быстроту движения. Достигнув наивысшей точки, птица круто повертывает назад и, постепенно опускаясь, приобретает значительную скорость, чтобы, описав дугу, стать опять против ветра и вновь подниматься в исходном месте.
Пульсирующий полет свойственен многим мелким птичкам: королькам, пеночкам, мухоловкам, но большой специализации он достигает у питающихся нектаром цветов птиц у нектарниц (Nectariniidae) Старого Света и в особенности у колибри (Trochilidae). Подлетев к цветку, колибри быстро махая крыльями, подобно бабочкам-бражникам, повисают в воздухе перед цветком, пока не высосут из цветка нектар. При этом они делают до 50 взмахов в секунду, так что движение крыльев заметить невозможно, а кажется, что птичка окружена туманным ореолом. Колибри при этом могут не только вертикально подниматься в воздух, но и единственные из птиц обладают способностью двигаться в воздухе задом.
С пульсирующим полетом сходен висячий, или трепещущий, полет, свойственный многим хищникам — пустельге, мохноногим канюкам, а также крачкам и некоторым другим птицам. Быстро махая крыльями, птицы повисают в воздухе над одним местом, высматривая добычу. Жаворонки тоже обладают способностью во время пенья висеть в воздухе.
Быстрота полета довольна различна у разных видов, как и у одной и той же особи, — в зависимости от условий полета. Для почтовых голубей установлена быстрота в 1000—1500 м в минуту.
Наиболее быстро летающей птицей считается стриж рода Chaetura — 2400 м в минуту; другие птицы имеют значительно меньшую быстроту полета, а именно: почтовые голуби — 1320 м (и до 1950 м) в минуту, скворцы — 1230 м, зимородок— 960 м, зяблик — 870, ворона — 840 м в минуту. В общем нужно заметить, что приведенные цифры дают среднюю нормальную скорость, тогда как временами скорость полета может быть значительно больше, например, у догоняющего добычу сокола или стремящейся избегнуть опасности вороны. Так, было установлено, что баклан, преследуемый аэропланом, пролетел 15 км со скоростью 105 км в час, тогда как средняя скорость его полета около 70 км в час.
В общем мелкие птицы развивают большую скорость полета, хотя каждый удар крыльев большой птицы дает в полете больший эффект. Так, среди отряда гусей чирок-свистунок весом 330 г летит со скоростью 1980 м в минуту, кряква весом 1250 г — со скоростью 1740 м в минуту, а серый гусь весом 3500 г со скоростью 1170 м в минуту.
Продолжительность полета без отдыха у птиц поразительна. Так, например, стрижи за исключением короткого отдыха ночью в длинные летние дни носятся в воздухе почти целые сутки. Некоторые кулики во время перелета пролетают пространство в 3000 км без отдыха.