Центральный Дом Знаний - Аэродинамика птиц

Информационный центр "Центральный Дом Знаний"

Заказать учебную работу! Жми!



ЖМИ: ТУТ ТЫСЯЧИ КУРСОВЫХ РАБОТ ДЛЯ ТЕБЯ

      cendomzn@yandex.ru  

Наш опрос

Я учусь (закончил(-а) в
Всего ответов: 2654

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0


Форма входа

Логин:
Пароль:

Аэродинамика птиц

В 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).

2) второстепенные маховые, или малые маховые (remiges secundariae), иногда обе эти группы называют сокращенно большие и малые махи; второстепенные маховые прикрепляются к заднему краю пред­плечья.<....>

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.

 Пуховые перья отличаются от кроющих тем, что их бородки свободны друг от друга, так как лишены крючковидных отростков. Поэтому пуховые перья не имеют плотного опахала. Такие перья бывают развиты обычно на краях птерилий, Их основная функция - утеплять тело птицы.

 Нитевидные перья - специализированные пе­рышки, имеющие на конце волосовидного стерженька следы опахал в виде нескольких бородок или лишенные их, Эти пе­рышки расположены группами от двух до восьми вокруг каж­дого кроющего пера почти у всех птиц и развиваются, по-ви­димому, из одного сосочка с ним. Они всегда прикрыты крою­щими перьями. Их функция хорошо не известна. Есть предпо­ложение, что они имеют чувствующую функцию.

 Пух взрослых птиц - это мелкие мягкие перья, состоящие .из очень тонких бородок на очень коротком стержне или даже только со следами стержня. Пух разбросан между контурными перьями, иногда расположен на аптериях. Особенно хорошо раз­вит пух у водных птиц, например, у утиных. Иногда пух пол­ностью отсутствует,

 Порошковый пух является особыми перьями. По-видимому, большинство птиц продуцирует хотя бы немного пудры. Шюц (1927) высказал мнение, что порошковый пух служит для предохранения перьев птиц от сырости, Возможно, однако, что пудра имеет значение и для улучшения скольжения воздуха при полете птиц. Он как бы заменяет смазочное вещество, вы­деляемое кобчиковой железой птицы. <....> 

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.

 Интересной особенностью, связанной также с обтеканием крыльев, является положение горизонтальных плоскостей вто­ростепенных маховых под углом к плоскости крыла, отмечае­мое у многих птиц. Такое расположение второстепенных ма­ховых отражается прежде всего на профиле соответствующего отдела крыла, делая его сзади более толстым. Кроме того, в результате наклонного положения второстепенных маховых между ними в развернутом крыле образуются щели, которые, возможно, играют роль в регуляции обтекания крыла потока­ми воздуха.

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.

Установлено, что сопротивление воздуха движущемуся телу тем меньше, чем меньше завихренность позади тела. Тело, имеющее при данной лобовой площади наименьшее сопротивление, называется обтекаемым телом. С таких тел обтекающий воздух скользит вдоль их поверхности, без срыва потока. Этим обус­ловливает обтекаемая форма крыльев птиц. Этим же объясня­ется и строение тела и профиля крыльев птиц. Тело птицы с вытянутой при полете вперед головой и прижатыми к телу ногами, гладко одетое перьями, заполняющими все его неров­ности, является наиболее благоприятной формой для устранения срыва потока. Форма крыльев, благодаря которой к заднему краю и к вершине крыла происходят уменьшение кривизны по­верхностей и уменьшение разницы давлений на верхней и ниж­ней и на передней и задней поверхностях крыла, обеспечива­ет также минимальное завихрение позади и на концах крыла. Из аэродинамики известно, что величина и направление, как полной аэродинамической силы, так и ее составляющих (подъ­емной силы и силы лобового сопротивления) прямо пропорцио­нальны площади обтекаемой воздухом поверхности, скорости обтекания, плотности воздуха, коэффициенту подъемной силы и коэффициенту лобового сопротивления. <....>

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):

Vyскорость 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 Tвниз.<....>

[ скачать работу ]



Loading

Календарь

«  Август 2019  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Архив записей

Друзья сайта

  • Заказать курсовую работу!
  • Выполнение любых чертежей
  • Новый фриланс 24