Науково - популярні статті Прощай торнадо!

(Чому літають птахи)

Ю.Е.Устюгін, Г.П.Устюгіна

Є пристрій, який називається повітряним змієм або кайтом. Воно широко відоме своєю доступністю виготовлення навіть з підручних засобів, з того, що є в кожному будинку: нитки, папір, тонкі пружні лучінкі і ганчіркова стрічка. Ну і, звичайно, необхідна вітряна погода.

Сьогодні цей пристрій використовується, як забава для дітей і як якесь спортивне пристрій для дорослих, развлекающее і тих і інших у вітряну погоду.

Але, чи можна щось подібне застосувати в рідких середовищах?
Тобто, чи можливо якесь підводне пристрій типу підводного кайта?
Подальше зміст статті дає ствердну відповідь.

рис.1

Почнемо здалеку.

Сьогодні мало знайдеться людей, які не літали б на літаках.
Всі знають, що це дуже зручно за кілька годин польоту виявитися в іншому місці земної кулі, розташованому за багато тисяч кілометрів від місця вильоту.

А як літають птахи?

Можна сказати - дуже просто. Змахнула крилами і злетіла (рис.1). А далі вільний політ з запаморочливими віражами.

Під час линьки звичайний міський голуб втрачає своє пір'я. У місті немає необхідності проводити спеціальний їх пошук. Пір'я, що лежать на доріжках і газонах дуже часто під час прогулянки потрапляють в наше поле зору. Вони різної довжини і ширини. На фотографії (рис.2) в порядку зверху вниз наведені екземпляри добірки пір'я міських голуба і ворони, а також сокола. На фотографії (рис.3) приведена добірка пір'я міської ворони, розташованих в порядку, про який піде мова далі.

рис.2

рис.3

Що нам повідомляють біологи про крила і пір'ї?

Виявляється (http: //www/krugosvet.ru/articles/01/10001771000177а16.http), кістки пташиного крила в принципі ті ж, що і в людській руці. Плечова кістка, єдина в верхньому відділі кінцівки, в ліктьовому суглобі сочленена з двома кістками передпліччя - променевої та ліктьової. Нижче, тобто в кисті, багато елементів, присутні у людини, у птахів злиті між собою або втрачені, так що залишаються лише дві кісточки зап'ястя, одна велика п'ястково-зап'ястна кістка, або пряжка і 4 фалангових кісточки, що відповідають трьом пальцям.

рис.4

Літальні пір'я, що відходять від кисті, називаються великими (першорядними) маховими крильми першого порядку. А прикріплені в зоні ліктьової кістки передпліччя - малими (другорядними) маховими пір'ям другого порядку. Це можна бачити на рис.4, взятому зі статті «Політ на межі можливого»
(http://nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?30+0207+30207142+HTML).

Тоді виходить, що на рис.2 наведені махові пера другого порядку, а на рис.3 в порядку проходження зверху вниз - два махових пера першого порядку і три махових пера другого порядку міський ворони.

рис.5

Тепер, давайте подивимося уважно на махове перо голуба (рис.5). Маховий перо грає дуже важливу роль для польоту птаха, а махові руху крилами дозволяють здійснювати далекі перельоти на тисячі кілометрів.

Перо має:
ствол 1 або (L), на якому тримається опахало;
2. Опахало асиметрично ділиться стволом на дві частини - зовнішнє 4 і внутрішнє 3.
Зовнішнє опахало завжди трохи вужчий, ніж внутрішнє.
Задамося питанням, а, власне, чому так?

рис.6

Якщо розсікти перо площиною, перпендикулярної стовбура пера в деякій точці в центральній області опахала, то можна отримати перетин пера, яке виглядає так, як показано на рис.6.

Стовбур пера (відповідне йому розтин в точці В) є лінією жорсткості пера, а сама точка В на розрізі буде точкою жорсткості пера, тобто при ударі крилом вгору або вниз все перо матиме вісь обертання, закріплену в безлічі точок В, розташованих уздовж крила за певною кривої лінії, яку представляє собою ствол пера.

Виконаємо нескладні вимірювання, які можна здійснити за допомогою простої лінійки. Виміряємо ширину опахало АС = l або (L). При цьому точці Про відповідатиме середина інтервалу АС = L / 2. Будемо цю точку Про називати геометричним центром. Оскільки перо дуже легке і гнучке і майже плоске, то центр додатки аеродинамічних сил, сил реакції середовища, можемо вважати що збігається з геометричним центром.

Якщо визначити відношення U = δ / L, де δ - величина, що дорівнює довжині відрізка ОВ (рис.6) для різних точок на стовбурі в частині, що несе опахало, то виявляється, що ця величина U регулярно приймає значення в інтервалі 0,27- 0,30. Вимірами піддавалися махові пера міського голуба, ворони, орла і чайки. Однак, дивлячись на фотографію (рис.3) бачимо, що пір'я крила мають різне розташування стовбура і опахало. Тому були проведені вимірювання і розрахунки не вибірковим, а суцільним чином значень показника U. Виміру піддавалися махові пера 2 і 1 порядку, а також пір'я хвоста. Всього було шість пір'я - по три на кожну птицю. Опахало ділилося по довжині на чотири рівні частини. За вимірами обчислювалися середні значення m і середні квадратичні відхилення s. Вимірювання заносилися в «Таблицю вимірювань» і виконувалися в трьох точках перетинів пера:
0,25Y; 0,5Y і 0,75Y, де Y - довжина опахала, початок відліку від кінчика пера, протилежної очинить.

Обчислюється величина - U = δ / L, де δ = k-L / 2, а k = BC (рис.6).

За вимірами обчислюються:
- середня арифметична величина m = ΣUi / n,
- середнє квадратичне відхилення s = [Σ (Ui-m) 2 / (n-1)] ½,
- середня квадратична помилка середнього арифметичного s = s / [n] ½

рис.8

Результати представлені на рис.8.

Для перших махових пір'їн ворони показник U приймає значення від 0,4 на кінчику пера, де стовбур максимально наближений до передньої частини пера, до 0,29 в середній частині в області максимальної ширини пера. Наступні махові пера для показника U мають значення від 0,29 до кінцевої половині пера до 0,22 в частині найближчій до очинить. Пір'я, найближчі до тіла птиці, і хвостові пір'їни мають значення, близькі до 0,1. А пір'я хвоста фактично мають симетрично розділене стволом опахало і значення показника U, близьке до нуля.