Літати як птахи, плавати як риби

У наші дні все частіше відбуваються «зустрічі» наук, часом дуже далеких. Що спільного, наприклад, між орнітологією і іхтіологією, з одного боку, і технікою – з іншого? Але й таке «знайомство» відбулося. Георгій Миколайович Баликів – авіаційний інженер. В останні кілька років його увагу все більше привертають аеро-і гідродинамічні особливості птахів, комах, риб. Розглядаючи будову і спосіб життя мешканців нашої планети, Георгій Миколайович прийшов до цікавих і нових технічних висновків. У опублікованій статті Г. Н. Баликів розповідає про свої спостереження над птахами і рибами. Він вважає, що не менш цікаві дані принесе детальне знайомство з аеродинамікою комах і тиснявою деяких рослин. Ми надаємо слово Георгію Миколайовичу, хоча його спостереження і висновки, можливо, здадуться спірними кому-небудь з наших читачів. Що ж, у суперечці народжується істина!

Прочитавши заголовок «Літати як птахи, плавати як риби!», ви маєте право запитати: чи знайомий автор із сучасною авіацією, з сьогоднішніми кораблями! І якщо знайомий, то навіщо говорити про птахів після «ТУ-114», про риб після швидкісних підводних човнів! Відповідь полягає в тому, що багато досягнень природних плавців і літунів все ще залишаються для людини далекою мрією, незважаючи на існування кораблів і літаків. Справді, подивіться, як впевнено сідає на тоненьку гілку, а потім стрімко злітає з неї звичайна синиця.

Ніякий вертоліт поки не здатний на подібні еволюції – якщо навіть спорудити сталеву «гілку», яка його витримає. А підводні човни – ці «штучні риби»! Хіба вміють вони мчати зі швидкістю 100 кілометрів на годину, хіба можуть з місця брати старт у будь-якому напрямку і за яку-небудь секунду набирати повний хід! Живі риби багатьох порід чудово вміють все це робити.

Значить, є сенс як слід придивитися до «конструкції» літаючих і плаваючих живих істот з метою перейняти у них вдалі «інженерні рішення» і, можливо, навчитися літати і плавати набагато краще, ніж ми вміємо сьогодні. Правда, люди давно придивляються до польотів птахів і комах, до рухів риб. Не перелічити спроб створення апаратів, що імітують, наприклад, птицю. Правда й те, що всі ці спроби не приносили людям успіху. Відомо, що авіація розвивається за іншим, не «пташиним» принципом, а кораблі, особливо надводні, мають мало спільного з рибами.

І все-таки сьогодні ми можемо поглянути на динаміку руху птахів, комах або риб новими очима. Озброєні аеро- і гідродинамічною наукою, ми, можливо, зауважимо такі корисні для нас особливості, які вислизнули від уваги колишніх дослідників; озброєні високою технікою, ми, можливо, зуміємо відтворити які-небудь «конструктивні елементи» живих плавців і літунів.

ПЕРНАТІ ВІРТУОЗИ

Обскубана птиця не дуже обтічна, зате в оперенні її аеродинамічні форми прекрасні. І навіть будь-яка окрема пір’їнка представляє собою відмінну аеродинамічну конструкцію. Цікаво, що пір’я і пух покривають не всю поверхню тіла птаха, хоча зовні цього не помітиш. При такому розміщенні пухо-перового покриву м’язи птиці працюють без перешкод, шкіра в рухливих місцях легко згинається і розтягується. У одних порід птахів, наприклад у всіх водоплавних, під пір’ям росте багато пуху, у інших, скажімо у голубів, – його взагалі немає; але у всіх випадках зовнішній покрив птиці «повітрянен», в ньому міститься немов би подушка з повітря. Для чого вона!

Перша функція оперення – захист від холоду – відома орнітологам давно. Друга функція позначається трохи розпливчасто – пір’я, мовляв, потрібні для польоту. Але ось людина будує літаки без всякого пір’я, і вони літають куди швидше птахів. Як же пір’я допомагають літати птаху!

Погляньмо з позицій аеродинаміки – і стане ясно, що одне із завдань оперення полягає в зниженні питомої ваги птиці. Справді, ощипанний селезень крякової качки має питому вагу 0,91 г/см., а в пір’ї – всього 0,6. У півтора рази менше! При цьому вага пуху та пір’я птиці – 67 грамів. Обміри показали: всередині самого пір’я, а також між пір’ям і пухом селезня містилося 650 кубічних сантиметрів повітря. У курсах зоології неодмінно вказують, що пернаті мають пневматичність кістки (з повітрям всередині), що багато видів птахів володіють повітряними мішками між нутрощами і все це веде до зниження ваги. Правильно, однак неповно. Оперення – ось що особливо сильно знижує питому вага птахів.

Щоб виявити ще одну важливу роль оперення, доведеться зробити маленький відступ в область аеродинаміки.

На малюнку показано обтікання повітрям профілю крила літака. Як бачите, вздовж профілю тече прикордонний шар повітря – і тече по-різному. У передній частині профілю, він плавний – ламінарний, а в якійсь точці зривається з профілю і переходить в безладний, турбулентний плин. Теорія говорить: чим далі від передньої кромки відстоїть точка зриву шару, тим менший лобовий опір відчуває крило. Тому на сучасних літаках влаштовують спеціальні пристосування для сдуву прикордонного шару, тобто фактично для віднесення точки зриву якнайдалі.

Наприклад, через щілини, розташовані вздовж крила поблизу передньої кромки, посилають з великою швидкістю тонкі і сильні струмені повітря по напрямку течії прикордонного шару. Ці струмені «здувають» прикордонний шар – роблять його ламінарним на великому протязі. І от виявляється, що оперення птахів має властивість створювати ламінарний прикордонний шар. Будь-кому відомо, що кожне пташине перо до кінця звужується і робиться тонше. Але якщо перо обтікається нерозривним потоком повітря, то швидкість потоку на тонкій ділянці більше, ніж на потовщеній. Бо одна і та ж повітряна маса повинна пройти через меншу площу поперечного перерізу.

Частинки повітря проносяться швидше, і щільність струменя із збільшенням швидкості падає. А раз падає щільність, то сюди, в розріджену ділянку, підсмоктується навколишнє повітря, в тому числі що знаходиться попереду. Так прикордонний шар при польоті птахи безперервно відсмоктується, і відповідно відсувається точка зриву. Крім того, я припускаю, що птах у польоті викидає повітря з повітряних мішків, направляючи його вздовж прикордонного шару. Так відбувається і відсмоктування шару і його здування.

Результати просто дивні. Крило птахи не втрачає підйомної сили навіть на дуже крутих кутах атаки (тобто кутах нахилу крила до горизонту). Найкращий літак втрачає підйомну силу, як тільки кут атаки досягає 20 градусів. А синичка – підлітаючи до дерева, стає в повітрі мало не вертикально і з завидною точністю полює черв’яка. Спостереження показують: птахи невимушено користуються кутами атаки від 2 до 60 градусів. Цей діапазон вдвічі ширше, ніж у кращих літаків.

Є таке важливе поняття – аеродинамічна якість. Воно являє собою відношення підйомної сили крила до лобового опору. Чим вище ця якість, тим менша потрібна швидкість для створення підйомної сили, тим, значить, менш потужний потрібен двигун. Тут птахи теж далеко обігнали найбільш «летючі» літаки і навіть планери. Можна вважати, що на режимах зльоту і посадки аеродинамічна якість птахів досягає 40-45 (проти 8-15 у літаків). Ні мої, ні чиї-небудь інші спостереження не виявили, щоб птах у польоті відчував так звані критичні режими, щоб він, подібно невміло керуючому літаком пілоту, потрапляв в штопор через втрату швидкості.. Можна тому вважати, що пернаті літуни автоматично керують своїм руховим апаратом і навіть прикордонним шаром – то прискорюючи або сповільнюючи політ, то круто злітаючи вгору, то різко знижуючись, то плавно літаючи в повітрі.

Прекрасні аеродинамічні дані дозволяють птахам затрачати на рух в повітрі мізерно малу енергію, повністю відновлювану харчуванням. Інакше не було б знаменитих міграцій – наддалеких безпосадкових перельотів пташиних зграй у вирій і назад.

Цікаві спостереження за водоплавними птахами. Орнітологи знають, що ніжний черевний пух водоплавних ніколи не змочується водою – хоча б птах «купався» цілодобово. Досі існувало одне-єдине пояснення цього: птах, мовляв, регулярно змащує пір’я дзьобом, дістаючи жир з особливої залози. А змащене жиром перо водою не змочується.

Але мною був поставлений простий дослід. Ретельно знежиривши пір’я опудало качки, я пустив опудало плавати. Воно не намокло, не затонуло, а коли його вийняли з води, то нижній пух виявився … сухим. Так з’ясувалось, що не тільки жир перешкоджає проникненню води до тіла птиці. Головну роль тут відіграє все та ж повітряна подушка, «закладена» в пух і пір’я птахів. Подушка ця покривається тонкою водяною плівкою і виявляється непроникною для вологи.

Є у водоплавних ще один чудовий апарат – перетинки на лапках. Роль цього природного пристосування теж сильно недооцінюють. Якось само собою склалась думка, ніби перетинки потрібні для руху у воді, що ними птах гребе – і тільки. Знову-таки нескладний дослід змусив поглянути на це по-іншому. У крякової качки зрізали з лапок перетинки і пустили птицю у водойму. Вона тут же попливла як ні в чому не бувало. Але от її злякали. Бідолаха заплескала крилами, але … не злетіла. Без перетинок на лапах їй не вдалося відірватись від води.

Для чого ж все-таки перетинки! Можна впевнено сказати: головним чином для зльоту з води. Справді, як злітає та ж качка! Вона за допомогою повітряних крил спершу набирає деяку горизонтальну швидкість. У цей час її лапки, які зробили перший стартовий поштовх, відтягнуті тому і мають у воді певний кут атаки. Так як вода в 800 разів щільніше повітря, то лапки з перетинками розвивають значну підйомну силу. І настає момент, коли загальна підйомна сила повітряних крил і лапок стає рівною вазі качки плюс сила зчеплення з водою. Це і є момент відриву.

Чи не нагадує вам ця картина рух наших стрімких кораблів на підводних крилах! Можливо, якби інженери-будівельники пильніше спостерігали природу, такі кораблі вдалося б створити дещо раніше. Перетинчасті лапки допомагають качкам і іншим водоплавним і в момент посадки на воду. Вони служать хорошими гідродинамічними гальмами. Перш, ніж робити які-небудь висновки зі спостережень за птахами, розповімо трохи про гідродинаміку і гідростатику риб.

Але вже в наступній статті.

Автор: Г. Баликів.