Чому і як літають птахи?

Чому і як літають птахи? Чому одні можуть парити, а інші ні? Чому зграя птахів може миттєво і одночасно змінити напрямок польоту? Людство здавна замислюється над питаннями, що стосуються польотів птахів, кажанів, комах. На багато з них біологи могли б дати відповідь вже сьогодні, якби не одна обставина – якби повітря не було прозорим. Досі при зйомці польоту птахів навіть високошвидкісною камерою надзвичайно важко простежити досконалість польоту з точки зору законів аеродинаміки.

Що тільки не придумували для полегшення пошуків відповіді на виникаючі питання! Так, американський дослідник з Південнокаліфорнійського університету Джефф Спеддінг став використовувати при зйомках польотів птахів мильні бульбашки, заповнені гелієм. Якщо такий міхур досить малий, наприклад, з шпилькову головку, тоді газ, що знаходиться всередині змушує його прагнути вгору. Цими бульбашками можна заповнити відносно великі ємності. На початку вісімдесятих років Спеддінг вивчав політ голубів. Він примушував їх пролітати крізь хмару таких бульбашок, створену у великому просторому приміщенні, а потім високошвидкісною камерою фотографував залишений ними в цій хмарі слід польоту.

Зйомка показала, що при прольоті голубів повітря закручується зовсім не так, як це має бути згідно теорії аеродинаміки. При зйомці можна було б використовувати і дим, але бульбашки з гелієм виявилися краще; за ними було легше стежити. Завдяки цьому Джефф Спеддінг зумів досить точно описати, як рухається крило голуба.

Щоб проаналізувати політ птахів, дослідники за традицією покладаються на теоретичні закони аеродинаміки, виведені для літальних апаратів з нерухомим крилом. Але виявилося, що при перенесенні їх на дії живих істот вони вже не вірні. Птахи і більш складні, і більш досконалі, ніж будь-які з сучасних літальних апаратів. Розглядаючи птаха як модель літака, вчені досліджують її в аеродинамічній трубі. Створюють вони й особливі роботи-крила. І все це робиться з метою визначити, що ж робить птах, коли летить, і провести відповідні вимірювання. Навіщо це потрібно? Щоб допомогти людині поліпшити конструкції проектованих нею літальних апаратів і в першу чергу військових літаків з високою маневреністю.

Політ птахів за рахунок мускульної енергії – це диво, якому люди не перестають дивуватися і сьогодні. Адже щоб підняти в повітря чоловіка за допомогою м’язів, потрібні крила розміром 42,7 метра. А його грудна клітка повинна мати товщину 1,8 метра, щоб вмістити м’язи, досить потужні для здійснення помахів.

Птахи, як, втім, і літальні апарати, повинні бути легкими, але потужними. Сьогодні птахи можуть літати, оскільки в процесі еволюції їх внутрішні органи і кістки стали набагато легше, ніж у їхніх предків рептилій. Приклад ультралегкої конструкції являює собою океанічний птах фрегат: при розмаху крил більше двох метрів його скелет важить менше ста двадцяти грамів – вдвічі менше загальної ваги пір’я.

До речі, кажани – чудові літуни – також отримали в результаті еволюції суперлегкі кістки. Тому вони і висять, відпочиваючи, вниз головою, вони просто не можуть встати на ноги. Їх кістки занадто тонкі, щоб витримати навантаження тіла в стоячому положенні. А черепа птахів взагалі нагадують швидше яєчну шкаралупу, ніж бронезахист. Крила ж птахів, що складаються в основному з пір’я, являють собою прямо-таки шедевр інженерного мистецтва природи: легкі та гнучкі, але майже не піддаються руйнуванню.

Підйомна сила птахів створюється за рахунок того, що повітря рівномірно обтікає вигнуту поверхню крила. А поступальний рух – за рахунок помахів. Вони-то і ставлять у глухий кут численних дослідників польоту. Крило – це не просто весло, яким птах «гребе» у повітрі, як вважав Леонардо да Вінчі. Деякі дослідники вважають, що птах здійснює повороти, вивернувши внутрішню частину крила так, щоб створити опір на тій стороні, куди вона повертає, подібно до дій з портом сну на каное.

Опір повітря уповільнює політ, адже від його швидкості залежить іноді життя або смерть птиці. Американський біолог і льотчик Кен Дайал виявив, що птахи часто здійснюють поворот за рахунок нахилу крила вниз, на зразок того, як відхиляються елерони у літака. Використовуючи рентгенівський апарат, Дайал провів спостереження за польотами птахів в аеродинамічній трубі, завдяки чому побачив рух скелета під час польоту, а також під час вдихів і видихів птиці.

Здійснюючи різні маневри, птахи повинні координувати безліч точних рухів, починаючи від вигинів і повного повороту крила до зміни амплітуди змахів. У польоті їм допомагає центральна нервова система, що керує м’язами. Але багато в чому птахи все ж схожі на найсучасніший реактивний винищувач, що володіє високою маневреністю і управляється комп’ютерною системою, що дозволяє проводити коректування на великій висоті за частки секунд. Звичайно, у птахів немає комп’ютера, зате є великий мозочок, і, як відомо, саме він бере участь у координації рухів тварин.

Чимало відомо про польоти птахів і шведському зоологу та ветеринару Річарду Брауну. Якщо до даху кабіни планера прикріпити короткі нитки, то при нормальному плануванні вони спокійно «летять» назад, але як тільки планер стане втрачати швидкість, повітряні вихори піднімуть нитки вгору і навіть можуть направити їх вперед – свого роду попередження про небезпеку. Точно так само, вважає Браун, тисячі пір’їн, що покривають крила і тіло птаха, можуть працювати як датчики повітряних потоків. Завдяки нервовим закінченням, птах відразу ж відчуває рух пір’я. М’язи, на яких розташовані пір’я, в основному діють як пасивні датчики інформації для нервової системи і меншою мірою як рушії. Чутливі елементи на крилах і визначають початок турбулентності (вихрового руху при активному перемішуванні шарів повітря) в обтічному потоці, змушуючи птаха змінити темп руху крил або дещо опустити їх вниз.

Дуже важливі для птахів і акробатичні здібності. Ластівки, наприклад, які проводять в повітрі до восьми годин на день, то й діло злітають високо в небо і кидаються вниз в гонитві за комахами. А ось малинівки знаходяться вдень у повітрі всього лише кілька хвилин, здійснюючи короткі перельоти, що тривають зазвичай кілька секунд. Велика частина їх польотів припадає на злети і посадки – самі виснажливі моменти будь-якого польоту. Тому багато великих птахів намагаються робити їх якомога рідше. Грифи, соколи, альбатроси та інші великі птахи майже весь час проводять в ширяючому польоті на повітряних течіях з розпростертими і майже нерухомими крилами.

Для більшої ефективності польоту птахи майстерно використовують характерні особливості свого пір’я. Наприклад, грифи, здійснюючи повільний політ по колу, щоб не втратити висоту, випрямляють довгі, жорсткі пір’я на кінцях крил і розгортають їх віялом так, щоб між ними утворилися щілини, перешкода для перемішування повітря в потоці за птахом. У результаті опір знижується, а підйомна сила зростає.

Сокіл ж, навпаки, пікіруючи на здобич, укладає своє пір’я так, щоб скоротити площу його поверхні. Йому потрібна швидкість, а не підйомна сила. Побудувати діаграму польоту птаха, пікіруючого зі швидкістю 320 кілометрів на годину, непросто, і звичайно швидкість пікірування визначається приблизно. Але фахівці сподіваються, що одного разу їм вдасться вивести формулу побудови діаграми польоту, застосовувану до птахів будь-яких розмірів і форм.

А як літають комахи? Дрібні оси і жуки, наприклад, як би гребуть крилами по повітрю, опір якого їм тільки допомагає. Вони відчувають повітря як щось в’язке, на зразок сиропу. Їм не потрібна велика підйомна сила, і якщо вони раптом припинили б свій рух, то стали падати на землю не швидше, ніж грудка пилу. Вони «пливуть» по повітрю, використовуючи свої крила, вкриті ворсинками, для створення більшого опору. При зворотному русі крила ворсинки моментально складаються. Відбувається щось подібне до того, як знижується опір у весла, що виймається з води. До речі, великим комахам літати важче.

Англійський зоолог Чарлз Еллінгтон з Кембріджського університету, який цікавиться джмелями, в одній зі своїх робіт писав, що за законами аеродинаміки джмелі літати не повинні. Але вони літають! Крила джмелів та інших великих комах створюють підйомну силу набагато більшу, ніж визначає теорія аеродинаміки. Як це їм вдається? Тепер, здається, відповідь на це питання отримана. Це сталося при вивченні польоту великих флоридських бражників (нічних метеликів), що мають розмах крил більше десяти сантиметрів. Коли такий бражник пролітає крізь дим, який, до речі сказати, його зовсім не турбує, можна бачити, як повітря вихорами закручується від його тіла до кінців крил замість того, щоб відповідно до теорії аеродинаміки плавно обтікати крила по напряму від їх передньої кромки до задньої. Була побудована велика механічна модель бражника (з тканини і міді) з рухомими крилами. І робот-бражник теж створював вихори, спрямовані в різні сторони.

Сьогодні біологи вже впритул наблизилися до вирішення загадок: як комахи і дрібні птахи створюють таку велику підйомну силу при малому запасі енергії, як і чому вони літають.

Чоловік завжди заздрив птахам. Як же, адже вони літають, а він не може! Двигун розвитку літального апарату птахів – добування їжі. Ну, а як же не літаючі птахи, наприклад, страуси? Це – виключення з правил. У людей питання з харчуванням вирішене давно, і тепер, наблизившись до розгадки польоту, дізнавшись, наскільки нелегко він дається птахам, може бути, не варто їм заздрити?

Автор: Е. Солдаткін.