|
Аэродинамика птицВ чем успех птиц, которые захватили небо за много миллионов лет до человека? Эволюционное прошлое до сих пор вызывает споры у ученых. Одни говорят, что птицы – это прямые потомки динозавров, другие оспаривают это мнение. Но эволюция птиц может занять отдельное исследование. Наша
же цель – разобраться в механизме полета птицы. Я не буду углубляться в такие
вопросы как мускулатура или особенности скелета птицы, но я ограничусь самым
основным – охарактеризую крыло птицы, а точнее его уникальные составляющие –
перья, которые и создают универсальную несущую поверхность для полетов, а также
разберу механизм полета со стороны физики. Для наглядности я сама провела исследование на примере
полета птицы в частности, ее медленный полет (момент взлета) я зафиксировала на
камеру, и на основе полученных изображений и теории сделала выводы, указанные в
моей работе.<.....> Прежде
чем перейти к основной части работы, необходимо пояснить термины. В крыле проксимальным
отделом называется его конец, соединенный с плечевым поясом, дистальным
- вершина крыла. Проксимальный отдел плечевой кости - конец,
сочленяющийся с плечевым поясом, дистальный-с предплечьем; предплечье соединено
с плечевой костью проксимальным отделом, с кистью – дистальным. Профилем
крыла называется поперечный разрез через хорду крыла. При
полете птицы плоскость крыла находится почти всегда под некоторым углом к
плоскости движения. Этот угол называется углом атаки а, он
образован прямой, соединяющей на поперечном разрезе передний и задний края
крыла (хорда крыла), и прямой, выражающей направление полета.<....> Передняя
конечность птицы - крыло - крайне своеобразна. Конечная часть его устроена
весьма просто, так как значительное число костей срастается, пальцы крыла у
птицы наружу не выступают и прикрыты общим кожным покровом; пальцев только три;
число фаланг пальцев невелико. Отдельные элементы кистевого отдела крыла
малоподвижны, и весь он служит прочной опорой для маховых перьев. С точки
зрения надежности крыло птицы имеет приемущество перед перепонками, к примеру,
летучей мыши поскольку, если мышь повредит свою перепонку – она больше не
сможет летать, а перья – образования, постоянно растущие и самообновляющиеся.
Таким образом, птица может потерять несколько перьев, все равно «оставаясь на
крыле». Однако перо перу рознь. В крыле находится множество различных видов
перьев и каждое выполняет свою функцию.
Маховые
перья, образующие несущие поверхности
крыльев, представляют собою самые крупные перья крыла. Они образуют весь
вершинный и задний отделы крыла, составляя около 90% всей площади крыла.
Маховые перья расположены относительно друг от друга так, что каждое маховое
налегает черепицеобразно своим наружным краем на внутренний край дистально
расположенного соседнего пера, поэтому под действием давления воздуха на
распростертое крыло снизу перья плотно прижимаются друг к другу и образуют
непроницаемую для воздуха несущую поверхность. Черепицеобразное
налегание перьев друг на друга обеспечивает одновременно непрогибаемость крыла
при сильном давлении .воздуха, испытываемом при полете птицы, особенно при взмахах
крыльев вниз. Поэтому
их направление по отношению к продольной оси тела меняется в зависимости от
того, под каким углом к телу находится в данный момент тот или иной отдел крыла,
поддерживающий эти перья. В не совсем развернутом крыле маховые перья
направлены вершинами назад. В
зависимости от места прикрепления основания маховых к скелету крыла различают: 1)
первостепенные маховые, или большие маховые (remiges primare); они прикрепляются к кистевому отделу крыла (кисть или
магнус). Весь
передний отдел крыла сверху и снизу покрывают кроющие перья крыла (tectrices). Они очень мелкие на коже передней летательной перепонки.
Укрупняясь постепенно в направлении к заднему краю крыла, они образуют более
или менее правильно расположенные, черепицеобразно налегающие друг на друга
ряды. Крайний задний ряд кроющих на обеих поверхностях крыла прикрывает
основания маховых перьев, а у некоторых
птиц (утиных) и значительную часть внутренней (нижней) поверхности
маховых. По их расположению, от заднего края крыла к переднему, и по величине
различают: большие кроющие крыла (tectrices majores),
средние кроющие крыла (tectrices mediae), малые кроющие (tectrices minores), краевые кроющие крыла (tectrices marginales). Последние образуют передний край крыла. Большие кроющие
строго соответствуют по числу маховым перьям и прикрепляются у основания
соответствующих маховых. Кроющие перья нижней поверхности крыла расположены
сходно, но часто представлены не так полно. Верхние большие в области локтевого
сгиба иногда по размеру много меньше остальных или даже отсутствуют. В этих
случаях обычно сильно развито соответствующее среднее кроющее. В то время как
краевые и малые кроющие перья нижней поверхности крыла обращены своими
вершинами к проксимальной части крыла - большие и средние кроющие нижней поверхности
крыла обращены своей вершиной к дистальной части. Таким образом, они
расположены на крыле подобно маховым перьям. Как
и маховые перья, кроющие перья крыла налегают черепицеобразно одним опахалом
на опахало соседнего пера его ряда. Но в то время как маховые перья налегают
всегда нижней поверхностью своего наружного опахала на верхнюю поверхность
внутреннего опахала соседнего, более дистального< пера, во
взаиморасположении кроющих крыла наблюдается также и обратное -налегание
нижней поверхности проксимального опахала на наружную поверхность соседнего
проксимального пера. Обратное налегание кроющих перьев наблюдается в некоторых
группах средних и малых кроющих крыла. Большие и краевые кроющие обеих
поверхностей крыла, а также верхние средние кроющие перья кисти всегда налегают
друг на друга, подобно таковым маховым, Нижние малые кроющие имеют всегда
обратное налегание. У некоторых птиц участки перьев с обратным налеганием
довольно значительны. В
распростертом крыле перья всегда располагаются в строго определенном порядке. Передний
край проксимального отдела крыла, образованный передней летательной перепонкой,
покрыт сверху и снизу мелкими краевыми кроющими крыла. В дистальном направлении
за ним следуют по краю крыла в области кистевого сгиба небольшой участок,
покрытый малыми кроющими крыла, а затем перья крылышка. Весь же передний край
вершинного отдела крыла, т. е. кисти, образован наружным опахалом первого или,
если он мал, второго первостепенного махового пера. Поскольку
передняя летательная перепонка представляет собою складку кожи, покрытую очень
мелкими кроющими перьями крыла, ее передний край, разрезающий воздух при
полете, очень тонкий, закругленный. В области кистевого сгиба и скелета пальцев
он несколько толще. Дистальный конец края крыла, образованный наружным краем
махового, очень тонкий, даже заостренный - прекрасно приспособлен к рассеканию
встречных потоков воздуха. Прикрепляясь
к концевой фаланге II пальца, вдоль всей ее верхней
поверхности самое дистальное большое маховое или заменяющее его следующее
дистальное маховое расположено в полностью развернутом крыле приблизительно
перпендикулярно к встречным потокам воздуха. Поэтому
наружное опахало крайнего махового всегда отличается более крепким строением.
Оно глубоко ребристое как сверху, так и снизу, вследствие выступания на
поверхностях наружного опахала верхних и нижних краев бородок. Сами же бородки
расположены под очень острым углом к стержню пера и, следовательно, более или
менее перпендикулярно к направлению встречных потоков воздуха. Верхние и
наружные края бородок этого махового пера несколько загнуты к стержню, в
результате чего наружный край самого дистального махового пера имеет
закругленный обтекаемый передний режущий край крыла. Краевые
кроющие самых передних рядов направлены вдоль края крыла, своими концами к его
вершине. Следующие за ним ряды краевых кроющих и малые кроющие постепенно поворачиваются
вершинами назад, а средние кроющие имеют уже направление, почти параллельное
оси тела, т. е. обращены вершинами вниз. С обтеканием потоками воздуха крыла
птиц связаны и ясно выраженная, например, у чаек, загнутость второстепенных
маховых в медиальном направлении, и направленность, всех первостепенных маховых
к вершине крыла. Это свидетельствует о распределении набегавших на крыло
потоков при раскрытом крыле по двум основным руслам: по одному - к вершине
крыла, по другому - под задний отдел туловища и хвоста. При
машущем полете опускание крыла, в результате сильного давления воздуха на
широкие внутренние опахала снизу, вызывает замыкание этих щелей. При подъеме
крыла щели размыкаются. При скользящем ми парящем полете щели бывают'
замкнуты, и крыло иногда имеет снизу гофрированную сплошную поверхность,
обусловленную S-образной поперечной изогнутостью
маховых перьев. Щели между этими маховыми во время машущего полета на
определенных фазах взмахов крыльями сохраняются благодаря весу птицы, несмотря
на давление воздуха на несущие поверхности снизу. И хотя очень трудно
определить истинное значение щелевого крыла, можно утверждать одно -
жалюзиобразное расположение перьев имеет определенное положительное значение в
образовании подъемной силы. С щелевыми крыльями
можно связать также такое приспособление как крылышко. Крылышко (alula) - это группа перьев, находящихся на переднедорзальной
поверхности крыла птицы. Оно может двигаться независимо, так как опирается на
большой палец, в то время как маховые первого порядка прикреплены на двух других
пальцах, Крылышко может приподниматься, и при этом между ним и остальными
перьями крыла образуется щель. При медленном
полете крылышко в определенные фазы движения крыла поднимается и, вероятно,
действует как щель у передней кромки. Оно находится на некотором расстоянии от
кончика крыла, но концы маховых первого порядка имеют тенденцию разделяться,
образуя по существу многощелевое крыло. При
малых углах атаки крылышко плотно прилегает к главной части крыла, так что не
оставалось никакой щели. При постепенном увеличении угла атаки наступает
момент, когда крылышко приподнимается. В этом нет ничего загадочного. Крылья
создают подъемную силу потому, что давление над ними ниже, чем под ними. При
больших углах атаки давление, по-видимому, становится особенно низким над
самым крылышком, которое поэтому отходит вверх. Если
крылышко пришить к крылу, так чтобы оно не могло подниматься, то перья на
верхней стороне крыла начинают трепетать, когда угол атаки достигает величины
чуть выше той, при которой крылышко приподнялось бы. Трепетание свидетельствует
о том, что наступил отрыв потока. Если теперь, не изменяя положения крыла,
перерезать швы, то крылышко поднимется, а перья снова будут лежать ровно, что
будет указывать на прекращение отрыва потока. Это кажется убедительным
доказательством того, что крылышко действительно увеличивает критический угол,
как и следовало ожидать, если оно действует подобно щели у переднего края в
крыле самолета.<....> Сущность
полета птиц заключается в создании при помощи крыльев аэродинамических сил
- подъемной и поступательной,
обеспечивающих передвижение в воздухе. Крыло, будучи прикрепленным
проксимальным концом к туловищу птицы, представляет собою одноплечный рычаг, к
которому прилагается при полете сила сопротивления воздуха. При этом, согласно
загонам физики, чем дальше от места прикрепления находится точка приложения
сил, тем больше эта сила. Поэтому наибольшую скорость при взмахе крыла и
наибольшее сопротивление испытывает вершина крыла. Образование
крыльями аэродинамических сил, подчиняясь закономерностям аэродинамики, имеет в
основе неравномерное обтекание потоками воздуха выпукло-вогнутой поверхности
крыла, в результате чего на нижней вогнутой поверхности образуется повышенное
давление, а на верхней выпуклой - пониженное. В результате на крыле возникает
равнодействующая сила (R), направленная под углом вверх и
слегка в сторону, противоположную движению. Составляющими этой полной
аэродинамической силы (R) (в направлении встречного потока
воздуха и перпендикулярного ему) являются подъемная сила (P) и сила, тормозящая движение вперед, т. е. лобовое
сопротивление (Q). В зависимости от направления
полной аэродинамической силы находятся соотношения размеров подъемной силы и
силы лобового сопротивления. В тех случаях, когда аэродинамическая сила имеет
направление под углом вперед, одна из составляющих сил направлена вверх, т. е.
образует подъемную силу. В то время как другая направлена вперед и создает
поступательную силу или тягу. Отношение силы лобового сопротивления (Q) к подъемной силе (P),т.
е μ=Q/P - называется «качеством» крыла. Чем больше подъемная
сила по сравнению с силой лобового сопротивления, тем выше «качество» крыла. Точкой
приложения аэродинамической силы считают точку пересечения аэродинамической
силы с хордой крыла. Она называется центром давления крыла. Центр
давления - непостоянная точка, так как ее положение на хорде меняется в
зависимости от изменения угла атаки. Углом атаки называется угол,
образованный хордой крыла и направлением встречных потоков воздуха. Аэродинамическими исследованиями, проведенными с помощью
обдувания моделей крыльев самолетов с разнообразными профилями в
аэродинамической трубе, удалось установить, что с увеличением угла атаки центр
давления перемещается вперед, ближе к переднему концу профиля. От угла атаки зависит
также величина и направление аэродинамической силы и, следовательно, ее
составляющих - подъемной силы и силы лобового сопротивления. Причина
одновременного изменения с углом атаки величины и направления полной
аэродинамической силы и ее обеих составляющих заключается в том, что меняется
картина обтекания воздухом крыла, а вместе с тем и давления на верхней и нижней
поверхностях крыла. Это - вытекает из следующего: если поперечное сечение
потока воздуха внезапно расширяется, как это имеет место, например, позади
плоской круглой пластинки, поставленной перпендикулярно к обтекающему ее
потоку, то, обогнув пластинку, струйки воздуха, стремясь по инерции двигаться
дальше, отрываются от нее и попадают сзади ее в область с разреженным воздухом.
Стремясь заполнить разреженное пространство, струйки воздуха начинают
двигаться в обратном направлении, также образуя обратные потоки воздуха -
вихри. По мере удаления от пластинки вихревое движение постепенно уменьшается
и затем совсем затухает. Впереди пластинки образуется, наоборот, область
повышенного давления. В
результате разности давления воздуха впереди и позади пластинки возникает сила
сопротивления, направляемая против движения, называемая полной силой
сопротивления воздуха, или аэродинамическим сопротивлением тела. Техника
полета птицы состоит из переменных подниманий и опусканий крыльев, т. е. из
взмахов крыльями, совершаемых с различными скоростями и различными амплитудами.
Скорости и амплитуды колебания крыла меняются при изменении режима полета.
Ясно, что далеко не всякое колебательное движение крыла создает полет. Поэтому
я решила проанализировать механику взмаха птичьего крыла и объяснить как же все
таки движет крылом птица. Способ махания крылом, который мы наблюдаем у птиц,
будем называть пропеллированием. Очень
распространенным, но в корне ошибочным является взгляд, что только удары
крыльев вниз производят полезную работу, удары же вверх или вредны, или
проходят бесполезно. В эту ошибку впадали все конструкторы ортоптеров,
стремившиеся аннулировать взмах вверх. Придумывались разнообразные аппараты со
створчатыми крыльями, которые при взмахе вверх должны были пропускать сквозь
себя воздух, конструировались поворачивающиеся крылья и т. д. Также,
особенно в популярной литературе, можно обнаружить довольно странные объяснения
причины полета птиц, например, наличием специальных воздушных мешков, будто бы
поддерживающих птицу. Воздушные
мешки действительно существуют внутри тела птиц. Они являются прямым
продолжением бронхов, которые, пройдя легкое, выходят за пределы последнего
через специальные отверстия и образуют мешкообразные полые органы, которые
наполняются воздухом из легкого. Вообще различают два шейных воздушных мешка,
несколько пар мелких грудных и два больших брюшных мешка. Воздушные мешки,
прилегая к костям, через особые отверстия сообщаются с внутренней полостью
последних. Я
не буду определять роли этих воздушных мешков, быть может, они нужны для
сохранения формы тела птицы в полете, возможно, роль их физиологическая и они
необходимы как резервуары запасного воздуха, нужного для пения, но это - не
наша задача. Также
нет смысла относиться серьезно к теориям, которые ищут в летательном аппарате
птиц или парашют, пли вёсла и т. п. Птицы летают исключительно благодаря
маханию крыльями и их летательный аппарат является механическим летательным
аппаратом, действие которого можно сравнить только с действием пропеллера,
соединенного с крыльями самолета. Будем
считать, что при установившемся движении, направление махания крылом -
перпендикулярно к горизонтальной плоскости. Такое предположение согласуется с опытными
наблюдениями, дающими очень небольшие отступления от перпендикуляра. Например,
журавль имеет угол между вертикалью и направлением махания,
равный 4°30/ ; у птиц
же, отличающихся большой скоростью полета, этот угол еще меньше. Например, у
ласточки он почти равен нулю. Как будет видно далее, этот угол в основном
получается в результате действия аэродинамических сил на крыло и не является
обязательным для механизма махания. Разделим
для исследования полный взмах крыла на два: взмах вверх и взмах вниз и я буду
рассматривать каждый отдельно.<....> Разберем
оба эти случая и покажем, что отрицательный, то существует сила, тянущая крыло
вперед, а если этот угол положительный, то имеется сила, тянущая крыло
назад. 1-й случай (угол а отрицательный): Vy — скорость взмаха Vx — скорость полета V — истинная скорость крыла; R — суммарная аэродинамическая сила
на крыло (реакция воздуха). Разлагая
R по оси х,
направленной по вектору скорости V, и оси у, перпендикулярной к вектору скорости V, получим: R2=P2+Q2 где
Р — подъемная сила; Q — сила лобового
сопротивления. Разлагая
же силу R по оси х', параллельной горизонтальной плоскости НН,
т. е. направленной по вектору скорости полета птицы Vx, и оси у', перпендикулярной
вектору скорости Vx, получим: R2=N2+T2 где
Т — сила, пропеллнрующая или тянущая вперед; N — сила нормальная,
опускающая крыло. 2-й
случай: (угол α – положительный) Оставляя
способ построения и обозначения прежними получим R2=N2+T2 Где
сила N тянет крыло вверх, а сила T – вниз.<....> [ скачать работу ] |
Loading
|