Основоположник современной аэродинамики Н.Е. Жуковский тщательно изучил механизм полета птиц и условия, позволяющие им свободно парить в воздухе. Результатами исследования полета птиц явилось изобретение самолета и возникновение авиации.

Приспособления к полету у птиц имеются во всех органах, но в этой работе мы более подробно рассматриваем лишь особенности строения крыла.

Известно, что во время полета на птицу действуют сразу множество сил:

встречный ветер (дополнительное сопротивление) или ветер со спины и с различных сторон.
давление воздуха.
сила тяжести.
притяжение земли.
давление испарения.

Казалось бы, как птица может держаться в воздухе если на неё действует столько сил с одной стороны и лишь одна компенсирующая сила - сила испарения.

Ответить на этот вопрос поможет изучение анатомического и морфологического строения крыла.

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. При этом первый палец несет на себе крылышко, второй палец первое, второе и третье первостепенные маховые, третий палец - четвертое первостепенное маховое, остальные первостепенные маховые прикреплены к запястью. Прочность частей скелета несущих первостепенные маховые, имеет большое значение для полета, так как именно эти перья являются для птицы орудием передвижения вперед , тогда как второстепенные маховые, расположенные вдоль направления воздушного потока, выполняют лишь задачу поддержания птицы в воздухе и ее подъема. В связи с энергичным функционированием конечностей и слабой подвижностью туловища у птиц сильно развита мускулатура крыла и ног и относительно слабо развита мускулатура туловища.

Расправим крыло птицы и рассмотрим внешнее его строение. Мы увидим, что почти вся летательная поверхность образованна перьями, и при том главным образом перьями маховыми - это самые крупные и крепкие перья, еще они есть в хвосте, где они образуют так называемый хвост (рулевые перья). Установлено, что на маховых перьях опахала всегда несимметричны и более широкое опахало одного пера прикрывает более узкую часть опахала другого. Оказывается также, что маховое перо несколько вогнуто с нижней стороны, что его без труда можно согнуть вниз, но в противоположном направлении, (этому препятствует его вогнутая форма, и структура его стержня) и только у некоторых птиц (например у соколов) тонкие кончики опахала при полете загибаются кверху.

Рассмотрим теперь, какое значение имеют все эти особенности при полете птиц, когда птица взмахивает крыльями вверх, а затем опускает их вниз, преодолевая сопротивление воздуха и опираясь на него всей тяжестью тела.

Рисунок 1

Следует иметь в виду, что перья, сидящие своим очином в мягкой и податливой коже, способны несколько поворачиваться на своей оси.
Вследствие несимметричности опахала каждое маховое перо в поперечном разрез представляет собой неравноплечий рычаг; сопротивление воздуха заставляет поворачиваться плечо этого рычага, причём благодаря особенностям взаимного положения перьев при опускании крыла опахала маховых перьев теснее прижимаются друг к другу, образуя непроницаемую для воздуха нижнюю поверхность крыла, а при поднятии крыла вверх опахала раздвигаются, предоставляя воздуху свободный проход (Рисунок 1). При махе вниз первостепенные маховые перья сохраняют обычное положение - они наложены друг на друга, так что воздух встречает сплошную поверхность. При махе вверх перья раздвигаются, пропуская воздух, что облегчает подъем крыла. Крылышко находится под контролем мышц и вступает в действие в случае необходимости. Подъемная сила увеличивается по мере того, как передняя кромка крыльев всё больше задирается вверх. Пока воздух обтекает крыло плавно оно работает нормально, но стоит крылу задраться слишком сильно, как над ним создается завихрение и подъемная сила исчезает. Поэтому у птиц на передней кромке крыльев находится группа перьев (так называемое крылышко), которые обеспечивают плавное течение воздуха, когда крыло задирается, - подъемная сила.

В то время, когда птица уже поднялась и летит по воздуху, она машет крыльями таким образом, что воздух давит на нижнюю поверхность крыла не только при опускании, но и при поднятии крыльев. Птица, опуская крылья, не загребает ими назад, а, наоборот, заносит их вперед. Затем птица поворачивает опущенные крылья таким образом , что нижняя поверхность крыла обращается наклонно вперед и встречный ветер ударяет в неё в этот момент совершенно таким образом, как ударяет в наклонную поверхность бумажного змея, Ударяя в нижнюю поверхность крыльев, встречный ветер помогает птице, не затрачивая усилий, поднять снова крыло вверх, кроме того, тот же удар встречного ветра несколько подбрасывает кверху и саму птицу.

Крыло птицы сконструировано на основе строгих принципов аэродинамики. У него не только обтекаемая форма, чтобы разрезать воздух, почти не встречает сопротивления, но оно ещё и выгнуто, чтобы создавать подъемную силу - ту силу, которая поддерживает птицу в воздухе. Воздух, обтекающий передний край крыла и его выпуклую верхнюю поверхность, ускоряет свое движение, создавая таким образом пониженное давление, а давление на нижнюю вогнутую поверхность крыла остается практически постоянной. Вот эта разница давления над крылом и под ним и создает подъемную силу. Птицы способны увеличивать и уменьшать её с помощью приспособлений, сходных с предкрылками и закрылками самолетного крыла.

Аэродинамическая картина передвижения птиц по воздуху является весьма сложной . Характер полета птиц весьма разнообразен и находится в непосредственной связи как с экологическими особенностями, так и с эволюционным развитием. Строение крыла (длина и пропорции маховых перьев) отношение веса тела к площади крыльев развитие мускулатуры - вот основные факторы определяющие свойства полета у птиц.

Птицы имеют различное телосложение, массу, обитают в различных экологических условиях. Поэтому в ходе эволюции появились разнообразные способы полета.

Разнообразие способов полета птиц велико так характеру полета птиц принято подразделять на парителей и птиц, пользующихся машущим полетом.

При парении птица движется в воздухе продолжительное время, не делая взмахов крыльями. Скорость движения воздушных потоков определяет высоту полета птиц. Используя различия в скорости двух потоков воздуха, неравномерное действие ветра, перемены направления ветра, пульсации воздуха - парящая птица может не только часами держатся в воздухе, но и подниматься, и опускаться. Способность к планированию у птиц сильно колеблется. На этом рисунке с большим преувеличении вертикального масштаба показаны расстояния, которые птицы четырех видов способны

покрыть, скользя по воздуху. Колибри с её крохотными крыльями почти совсем не способна планировать. Различают парение динамическое и статическое.

Динамическое парение свойственно крупным океаническим птицам, летающим над открытыми водными пространствами в обстановке постоянно Динамическое парение позволяет альбатросу часами планировать над океаном, ни разу не взмахнув крыльями. На рисунке показано, как альбатрос поднимается с уровня Б, где движение ветра замедляется трением о воду, до уровня А, где ветер движется с большей скоростью. Разворачиваясь, альбатрос планирует вниз и набирает достаточную скорость, чтобы вновь взмыть вверх против ветра.

существующих над морями горизонтальных перемещений и завихрений воздушных масс.

Статическое парение птиц основано на использовании воздушных термических потоков, или потоков возвышения. Для улавливания таких потоков и использовании их при передвижении на далекие расстоянияСтатическое парение происходит, когда ширококрылая птица возносится вверх на потоках теплого воздуха, поднимающегося быстрее, чем падает птица. В неподвижном воздухе такая птица спланирует от А к Б(Рисунок 3) необходимы большие, широкие крылья. Восходящий поток теплого воздуха, который птицы используют для парения, возникает следующим образом. Поднимающийся над источником тепла столб теплого воздуха (А) подрезается более холодными её слоями (Б). Приняв форму большого пузыря , теплый воздух (В и Г) поднимается с такой силой, что увлекает вверх и кружащегося в нём ястреба (Рисунок 4).Машущий полет типичен для большинства видов. Машущий полет чрезвычайно разнообразен и зависит от экологических условий, в которой живет птица, её величины и биологических особенностей. Различают хлопающий (куриные во время взлета), вибрационный полёт (стрижи и колибри), волнообразный (так, у ласточек, имеющих очень длинные крылья, полёт волнообразный: активные движения крыльев не только устремляют ласточку вперед, но и вздымают её на некоторую высоту), трепещущий (пустельга во время добычи) и многие другие. Объяснить, что происходит во время маха поможет изучение механики прямолинейного полета.

Хорошие летуны, вроде уток, не плывут по воздуху, как считают многие люди; они продвигаются вперед благодаря винтам, как и самолет. Однако у птиц эти “винты” находятся на концах крыльев - это первостепенные маховые перья. При махе вниз птица прилагает определенные усилия. Пока крыло опускается, преодолевая сопротивление воздуха, кончики первостепенных маховых перьев отгибаются кверху и перекручиваются под углом по отношению ко всему крылу. В таком положении они как бы ввинчиваются в воздух, и по мере того как они опускаются все ниже и ниже, их тянет вперед, они увлекают за собой крылья и, естественно, все тело птицы. При завершении маха вниз концы крыльев оказываются на уровне клюва. При махе вверх первостепенные маховые перья расходятся, беспрепятственно пропуская воздух, концы крыльев движутся вверх и назад, преодолевая сопротивление воздуха и все еще создавая некоторую силу тяги, тогда как примыкающая к плечу часть обоих крыльев обеспечивает подъемную силу. Затем весь цикл повторяется заново.

При трепещущем полете механизм несколько иной.

Воздушные акробаты колибри умеют летать вертикально вверх и вниз; однако самое замечательное их достижение - это способность, трепеща крыльями, неподвижно висеть в воздухе, пока они пьют нектар из цветка.

Секрет этой способности заключается в строении крыла, совсем не таком как у большинства других птиц. Оно представляет собой почти жесткую конструкцию, практически фиксированную в “запястье” и “локте”, а к плечу прикрепляется шарнирным суставом. Крыло действует как винт вертолета, но только делает гребки вперед и назад, а не вращаются вокруг своей оси. При махе вперед крыло движется обычным способом, передним краем вперед под небольшим углом, чтобы обеспечить подъемную силу, но не продвижение. При обратном махе все крыло поворачивается в плече почти на 180° . Теперь передний край обращен назад, и крыло по - прежнему обеспечивает только подъемную силу. Таким образом птица неподвижно висит в воздухе.

Я проводил исследования полета птиц у нас в городе в течение лета- осени 1999 г.

Мне удалось наблюдать за полетом вороны, воробья, голубя, сороки и ряда других птиц. В результате исследований я пришел к выводу, что для птиц городских ландшафтов характерен прямолинейный полет. Наиболее часто используется комбинирование полетов. В своей работе я исследовал комбинирование полетов на примере голубя. Во время взлета голубь использует маховые движения крыльями, когда летит то чередует- несколько ударов крыльями ® парение в течении 6-7 секунд, но не более. При посадке часто используется динамический способ парения. Отсутствие видеокамеры не позволило заснять фильм, а фотоаппарат не мог уловить высоко летящую птицу
Выводы: можно сделать вывод, что птицы приспособилась к полету за большой промежуток времени » 150 млн. лет эволюции, они приобрели все приспособления к передвижению в воздушной среде.

Изучение механизмов полета птиц человек использует в для создания идеального летательного аппарата. Сейчас ведутся работы по изучению полетов, и на их основе создает множество новых проборов навигации, ускорения, передвижения по воздуху, моделирование легких и прочных деталей, самолетов, вертолетов...

Данное исследование относится, в основном, к драконам Арды – мира, известного читателю прежде всего по книгам Дж.Р.Р.Толкина. Но часть результатов может быть распространена на всех представителей этого класса мифических существ. По убеждению автора статьи, драконы представляют собой одну из разновидностей пресмыкающихся (рептилий). Жили они давно и вымерли, по всей видимости, тоже очень давно. Хотя факт окончательного их истребления странствующими хоббитами подтверждается лишь словами самих странствующих хоббитов и прочих недружелюбно настроенных к гигантским рептилиям личностей. Возможно, некоторым представителям редкого вида удалось сохранить тайну собственного существования, а заодно и жизнь. Что особенно вероятно, если руководствоваться более подробными сведениями о драконах, полученными так называемым взглядом с другой стороны – «Черной Книгой Арды» Ниэннах.

Численность популяции драконов во все времена была невелика. Частично это объясняется их изначальной малочисленностью, частично принятым способом размножения. Возможность живорождения, скорее всего, характерна для драконов-оборотней. У будущей матери-драконицы есть выбор – либо рожать по-человечески, либо откладывать яйцо по-драконьи. Поскольку драконы Арды способностью оборотничества не обладали, они были исключительно яйцекладущими. Логично предположить, что мать-драконица за один раз откладывала одно яйцо и долго его высиживала. Точнее – оберегала и хранила. А отец-дракон оберегал и хранил жену. Логично также предположить, что браки между драконами заключались однажды и на всю жизнь. Поэтому гибель одного из супругов была страшной трагедией. Возможно, приводившей к скорой гибели одинокого. Если только к тому моменту у них не было маленького драконыша. Которого, естественно, нельзя оставлять без родительской опеки, каким бы сильным не было горе вдовца (вдовы).

В «Черной Книге Арды» Ниэннах приводится описание четырех видов драконов, соответствующих четырем стихиям – Земли, Воздуха, Воды и Огня. Логично допустить, что драконы одного вида не могли иметь потомство с драконами другого вида. Это также существенно влияло на общую численность популяции. Кроме того, это объясняет наблюдаемую чистоту видов. Но коварная штука любовь, которая неподвластна логике, могла свести (почему нет?) разновидовых дракона с драконицей. Разумеется, такой «противоестественный» союз был бесплоден. И исключал эту пару из числа возможных драконьих родителей в своем племени. Что опять таки плохо влияло на прирост численности. Но все же уменьшало количество особей «ненормальной» ориентации. Дети «правильных» родителей, скорее всего, выберут «правильную» пару.

Относительно механизма огнедышания, есть прямая связь между дыханием у драконов и струей огня. Огонь извергался из пасти НА ВЫДОХЕ. Откуда бралась горючая смесь? Логично предположить, что в глотке дракона имелись специальные «огненные железы», расположенные аналогично человеческим миндалинам. В невоспламененном состоянии огненная смесь представляла собой маслянистую жидкость, крайне едкую и взрывоопасную, особенно в присутствии кислорода (воздуха). Эту жидкость по достижении организмом состояния половой зрелости железы начинали вырабатывать. Сами железы хранили в себе некоторое количество огненной смеси. По строению они напоминали гроздь винограда, только вместо сока в «виноградинах» находилось горючее. По отводному каналу, схематически представляемому как деревянная основа виноградной грозди, осуществлялась порционная «подача» жидкости в глотку. Выходное отверстие канала снабжено плотным клапаном. На вдохе – клапан закрыт. На выдохе – открыт, и тяга исходящего потока создает эффект «всасывания» порции огненной смеси.

Есть также прямая связь между интенсивностью огнедышания и степенью возбуждения дракона. В спокойном состоянии выработка огненной жидкости была невелика, практически отсутствовала. Так что мирный дракон – «курился», пускал дымок, но не «пылкал огнем». Однако, разъяренный дракон полыхал пламенем. Железы работали на полную мощность. Размер порции мог быть достаточно велик, чтобы вместе со струей пламени на врагов, вражеские сооружения попадала и сама огненная смесь. В сочетании с высокой температурой потока огня, она производила разрушения, сравнимые по эффекту и даже превосходившие эффект напалма. Но огненная жидкость, оставшись во рту дракона, быстро разлагалась под воздействием слюны. Слизистая оболочка ротовой полости испытывала раздражение разной степени, в зависимости от количества случайно попавшей на нее смеси. Чтобы устранить неприятные ощущения, дракону надо было лишь хорошо прополоскать рот или что-нибудь съесть. Поедание пищи, обычно, сопровождается усиленной выработкой слюны.

В статье «О существовании драконов» И.Диденко рассуждает: «Но, в отличие от цирковых факиров, у дракона нет внешнего огня для поджигания горючего. Как же оно вспыхивает? Ответ прост: роль кремня в этой исполинской газовой зажигалке играет... кремень. Точнее, кремневые зубы дракона, которыми он и выбивает искру, воспламеняющую газ. Но почему бы тогда не предположить, что не только зубы, но и кости дракона имеют в своей основе не кальций, как у человека и других животных, а кремний?» Эта версия при всей своей привлекательности имеет существенный недостаток. Попробуйте представить, КАК происходит выбивание искры. Дракоше захотелось полыхнуть, он широко раскрывает пасть и... громко щелкает зубами. Едва ли он успеет вовремя разжать челюсти, чтобы их не снесло практически мгновенным взрывом. По-видимому, на автора повлияло очарование идеи кремневого скелета. В мире с наличием магии есть место любым фантастическим существам. И скелет на основе кремния там вполне уместен. Но драконы, очевидно, поддерживали жизнь белковой пищей – охотились на скот, нападали на людей. Это заставляет сделать вывод о белковой же природе самих драконов. И, по-видимому, об аналогичном составе костной ткани жертв и хищника.

Автор данной статьи предлагает искать секрет поджигания горючей смеси в... электричестве. Учитывая химико-электрическую природу нервных импульсов у живых существ, логично предположить, что рядом с выходным отверстием огненных желез находилась пара своеобразных «свечей зажигания», устроенных аналогично электрическим органам у рыб (электрических скатов, угрей). Когда дракон в ярости, «свеча зажигания» создает максимальную разность потенциалов, проскакивает искра – смесь воспламеняется. Наблюдательный читатель увидит в вышеописанном механизме огнедышания прямую аналогию с двигателем внутреннего сгорания.

Много версий существует и относительно механизма полетов драконов. Так, например, в статье «К вопросу о строении драконов» О.Кирюшкиной предложена следующая гипотеза: «Как же дракон при своей величине может так проворно летать? Ответ прост: за счет заполненных газом полостей в теле, масса дракона была значительно меньше, чем можно предположить на первый взгляд. Если же предположить, что плотность драконьего газа была меньше плотности воздуха, то при достаточном объеме дракона можно рассматривать как исполинский дирижабль. Крылья дракона служили только для горизонтального перемещения, хвост же выполнял функцию руля». И это объяснение не лишено недостатков. Согласно «Черной Книге Арды» Ниэннах, к полетам были способны не только драконы, но и крылатые кони Гортхауэра, и даже Мелькор. Что же, у них у всех были газовые полости, облегчающие массу тела? Вопрос массы очень критичен. Допустим, подъемную силу обеспечивает размах крыльев. Но существо размером намного больше птицы должно в полете страдать от сильного выкручивания суставов в месте сочленения крыльев и тела. Не зря современные дельтапланеристы закрепляют ноги в горизонтальном положении, чтобы устранить вращательный момент. Птицы в полете компенсируют вес «задней части» расправленным хвостом. У птеродактилей между ногами и хвостом имелась плотная перепонка. Не говоря о том, что тела всех природных летунов сильно специализированы: облегченный скелет, переразвитая грудная клетка, укороченные или очень тонкие ноги. Опять же, масса и размер. Самый большой древний летающий ящер – птеранодон – имел размах крыльев всего 7-7,5 м. Тогда как в легендах поминаются драконы величиной с гору.

А решение проблемы очень простое, если прибегнуть к... магии. Драконы, крылатые кони, крылатые Валар и майяр живут в магическом мире. Вот тут как раз уместно вспомнить о замечательной магической способности – левитации. Скрытая левитация при полетах поглощала избыток массы. Возможно, сами летающие не осознавали этой своей способности, полностью полагаясь на крылья. Собственно, при полете значение левитации не так важно. Она существенна в моменты взлета и посадки. Чтобы обеспечить такую редко учитываемую, но немаловажную вещь, как эстетика. Иначе взлетать пришлось бы с большого разбега, громко хлопая растопыренными крыльями, или стартовать с большой высоты. А чтобы приземлиться, пришлось бы долго прицеливаться и после тормозить, упираясь всеми ногами. Одной только физики/механики для красивого и быстрого полета маловато.

В заключение, несколько замечаний. Все вышеизложенное есть личное мнение автора статьи. И ни в коей мере не претендует на какую-либо научность или фактическую достоверность. Автор статьи будет благодарен читателям, если они укажут на обнаруженные неточности и ошибки по адресу электронной почты: [email protected].

Литература:

1. Дж.Р.Р. Толкин «Хоббит...» СПб, Азбука, 2000
2. Дж.Р.Р. Толкин «Сильмариллион»
3. Н.Э. Васильева «Черная Книга Арды». М.: ЭКСМО-Пресс, 2000
4. И. Диденко «О существовании драконов»
5. О. Кирюшкина «К вопросу о строении драконов»