Перо птицы и подводный кайт

Ю.Е.Устюгин, Г.П.Устюгина

Есть устройство, которое называется воздушным змеем или кайтом. Оно широко известно своей доступностью изготовления даже из подручных средств, из того, что имеется в каждом доме: нитки, бумага, тонкие упругие лучинки и тряпичная ленточка. Ну и, конечно, необходима ветреная погода.

Сегодня это устройство используется, как забава для детей и как некое спортивное устройство для взрослых, развлекающее и тех и других в ветреную погоду.

Но, можно ли нечто подобное применить в жидких средах?
Т.е., возможно ли некое подводное устройство типа подводного кайта?
Дальнейшее содержание статьи дает утвердительный ответ.

Рис.1

Начнем издалека.

Сегодня мало найдется людей, которые не летали бы на самолетах.
Все знают, что это очень удобно за несколько часов полета оказаться в другом месте земного шара, расположенном за многие тысячи километров от места вылета.

А как летают птицы?

Можно сказать — очень просто. Взмахнула крыльями и взлетела (рис.1). А далее свободный полет с головокружительными виражами.

Во время линьки обычный городской голубь теряет свои перья. В городе нет необходимости проводить специальный их поиск. Перья, лежащие на дорожках и газонах очень часто во время прогулки попадают в наше поле зрения. Они разной длины и ширины. На фотографии (рис.2) в порядке сверху вниз приведены экземпляры подборки перьев городских голубя и вороны, а также сокола. На фотографии (рис.3) приведена подборка перьев городской вороны, расположенных в порядке, о котором пойдет речь далее.

Рис.2

Рис.3

Что нам сообщают биологи о крыльях и перьях?

Оказывается (http://www/krugosvet.ru/articles/01/10001771000177а16.http), кости птичьего крыла в принципе те же, что и в человеческой руке. Плечевая кость, единственная в верхнем отделе конечности, в локтевом суставе сочленена с двумя костями предплечья — лучевой и локтевой. Ниже, т.е. в кисти, многие элементы, присутствующие у человека, у птиц слиты между собой или утрачены, так что остаются всего две косточки запястья, одна крупная пястно-запястная кость, или пряжка и 4 фаланговые косточки, соответствующие трем пальцам.

Рис.4

Летательные перья, отходящие от кисти, называются большими (первостепенными) маховыми крыльями первого порядка. А прикрепленные в зоне локтевой кости предплечья — малыми (второстепенными) маховыми перьями второго порядка. Это можно видеть на рис.4, взятом из статьи «Полет на пределе возможного»
(http://nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?30+0207+30207142+HTML).

Тогда выходит, что на рис.2 приведены маховые перья второго порядка, а на рис.3 в порядке следования сверху вниз — два маховых пера первого порядка и три маховых пера второго порядка городской вороны.

Рис.5

Теперь, давайте посмотрим внимательно на маховое перо голубя (рис.5). Маховое перо играет очень важную роль для полета птицы, а маховые движения крыльями позволяют осуществлять далекие перелеты на тысячи километров.

Перо имеет:
ствол 1 или (L), на котором держится опахало;
2. Опахало ассиметрично делится стволом на две части — внешнее 4 и внутреннее 3.
Внешнее опахало всегда несколько уже, чем внутреннее.
Зададимся вопросом, а, собственно, почему так?

Рис.6

Если рассечь перо плоскостью, перпендикулярной стволу пера в некоторой точке в центральной области опахала, то можно получить сечение пера, которое выглядит так, как показано на рис.6.

Ствол пера (соответствующее ему сечение показано в точке В) является линией жесткости пера, а сама точка В на разрезе будет точкой жесткости пера, т.е. при ударе крылом вверх или вниз все перо будет иметь ось вращения, закрепленную во множестве точек В, расположенных вдоль крыла по некой кривой линии, которую представляет собой ствол пера.

Выполним несложные измерения, которые можно осуществить с помощью простой линейки. Измерим ширину опахало АС=l или (L). При этом точке О будет соответствовать середина интервала АС=L/2. Будем эту точку О называть геометрическим центром. Поскольку перо очень легкое и гибкое и почти плоское, то центр приложения аэродинамических сил, сил реакции среды, можем считать совпадающим с геометрическим центром.

Если определить отношение U = δ/L, где δ — величина, равная длине отрезка ОВ (рис.6) для различных точек на стволе в части, несущей опахало, то оказывается, что эта величина U регулярно принимает значение в интервале 0,27–0,30. Замерам подвергались маховые перья городского голубя, вороны, орла и чайки. Однако, глядя на фотографию (рис.3) видим, что перья крыла имеют различное расположение ствола и опахало. Поэтому были произведены измерения и расчеты не избирательным, а сплошным образом значений показателя U. Измерению подвергались маховые перья 2 и 1 порядка, а также перья хвоста. Всего было шесть перьев — по три на каждую птицу. Опахало делилось по длине на четыре равные части. По измерениям вычислялись средние значения m и средние квадратичные отклонения s. Измерения заносились в «Таблицу измерений» и выполнялись в трех точках сечений пера:
0,25Y; 0,5Y и 0,75Y, где Y — длина опахала, начало отсчета от кончика пера, противоположного очину.

Вычисляемая величина — U=δ/L, где δ=k–L/2, а k=BC (рис.6).

По измерениям вычисляются:
– средняя арифметическая величина m=ΣUi/n,
– среднее квадратичное отклонение s=[Σ(Ui–m)²/(n–1)]^½,
– средняя квадратичная ошибка среднего арифметического s=s/[n]^½

Рис.8

Результаты представлены на рис.8.

Для первых маховых перьев вороны показатель U принимает значения от 0,4 на кончике пера, где ствол максимально приближен к передней части пера, до 0,29 в средней части в области максимальной ширины пера. Последующие маховые перья для показателя U имеют значения от 0,29 в конечной половине пера до 0,22 в части ближайшей к очину. Перья, ближайшие к телу птицы, и хвостовые перья имеют значения, близкие к 0,1. А перья хвоста фактически имеют симметрично разделенное стволом опахало и значение показателя U, близкое к нулю.