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...