Перо птицы и подводный кайт

Ю.Е.Устюгин, Г.П.Устюгина

Для маховых перьев голубя тоже характерно значение U, близкое к значению 0,29. Значение U=0,16 для первого махового пера голубя вызвано грубой ошибкой отдельного измерения. Исключение этого измерения дает значение U=0,25 и приближает результат к значению 0,29.

Выяснилось, что перья или части пера, имеющие значение показателя U>0,29, служат созданию силы тяги F_тяг, а сила тяги крыла представляет собой сумму сил тяги, возникающих в каждом маховом пере.

Обратимся к картине движения пера при последовательных маховых ударах крыла вверх и вниз.

На рис.7,a,b,c,d последовательное во времени образование и развитие силы тяги Fтяг у пера, в процессе взмаха крыла.

Рис.7

В начальный момент (рис.7,а), когда отсутствует сила удара F_уд, отсутствует и соответствующая ей сила реакции среды R.

В следующий момент (рис.7,b), сила удара F_уд, приложенная к стволу пера, вызывает реакцию сопротивления среды R, затрудняющей движение пера вверх, по направлению силы удара. Ввиду того, что точка приложения силы реакции среды R смещена от ствола, возникает момент вращения пера, приводящий к тому, что перо разворачивается так, как показано на рис. 7,c. В результате, по правилу сложения векторов сил, действующих на перо, может быть установлено возникновение силы тяги F_тяг, направленной вперед, по направлению движения птицы. В последующий момент (рис.7,d), сила тяги достигает своего максимума, устанавливаемого потребностями самой птицы в скорости. При ударе крылом вниз, перья крыла, перекрываясь, накладываются друг на друга так, что образуется единая крыловая поверхность — поверхность, на которую, также действует сила удара F_уд и сила реакции среды R. Однако картина будет противоположна той, что показана на рис.7. сила удара будет направлена вниз, а сила реакции среды — вверх, с соответствующим склонением вперед. При этом сила тяги, по-прежнему, будет направлена вперед.

Для того чтобы экспериментально убедиться в возникновении силы тяги пера при ударе крыла вверх и вниз, была выполнена простейшая модель. На рис. 7* приведена фотография этой модели.

Рис.7*

Рис.8*

Подводим итог, перья, со значениями показателя U близкими к нулю, служат планирующему полету. Перья, со значениями показателя U в интервале от 0 до 0,29, служат как созданию силы тяги — это целиком само перо или концевая часть пера, так и планирующему полету с созданием подъемной силы — это часть пера, ближайшая к очину.

Особое значение имеют первые перья. В них, часть пера, ближайшая к очину, служит созданию силы тяги. А для чего же нужна другая, конечная, часть пера?

Для нее показатель U принимает значение, близкое к 0,40. В этой части перо максимально ассиметрично. В нем очень узкая внешняя часть опахала и максимально широкая внутренняя часть. Это расположение ствола и середины опахало способствует тому, что при взмахе или, аналогично, при ударе вниз, момент вращения M, обусловленный действием силы удара F_уд и силы реакции среды N, определяемый как произведение силы N на плечо δ принимает максимальное значение. В результате перо очень быстро меняет угол атаки. При этом кончик пера закручивается, вводя в заблуждение исследователей, которые полагают, что птица кроме махового движения еще осуществляет вращательное движение маховыми перьями.

Из биологии известно, что перьевые сумки, в которых маховые перья закреплены своими очинами, представляют собой последовательную цепочку, соединенную кожей. Поэтому птица, меняя угол атаки первых перьев, имеет возможность, либо быстро одновременно перекрывать основные маховые перья (удар крылом вниз), либо быстро одновременно раскрывать их и задавать им угол атаки при взмахе. И в том и другом случае, перья функционируют так, что возникает сила тяги. Это мы назвали «эффектом жалюзи».

В полете, особенно парящем, птице нет необходимости постоянно держать мышцы крыла в напряженном, расправляющем крыло состоянии, так как вероподобное расположение перьев приводит к тому, что возникающая сила тяги перьев направлена не только вперед, но и несколько в сторону, в результате возникает эффект растягивания крыла.

Удивительно, но при индивидуальных и переменных размерах каждого пера у разных птиц, оказалось, существует некий показатель — δ, характеризующий расстояние расположения пера от линии геометрического центра опахало (точка O) и определяющий функцию пера в составе крыла птицы, что согласуется с динамикой плоского гибкого тела в теоретической механике (см. вставку), согласно которой, особый смысл имеет взаимное расположение оси жесткости и центра приложения гидродинамических сил. Вполне очевидно, что такое расположение ствола на опахале, как у махового пера, необходимо для оптимального осуществления поступательного движения-полета птицы в текучей среде, которой является воздух.

Таким образом, изучение вопроса махового полета птиц привело к следующему выводу:
если, на гибкое, упругое тело (пластину) обтекаемой формы, находящееся в текучей среде, действует знакопеременная периодическая сила перпендикулярно плоскости пластины, принуждающая точку захвата пластины совершать возвратно–поступательные движения, то возникает сила тяги вперед. При этом точка захвата пластины должна осуществляется в соответствии с правилом δ=0.2887×L, или U=δ/L=0.29, где L— расстояние от фронтальной линии до задней линии пластины.

Воспользуемся, полученным в ходе исследований махового полета птиц, правилом для создания «подводного кайта». Такого устройства, где тяговая сила троса, действующая перпендикулярно плоскости гибкой пластины, прикрепленной к контейнеру, согласно выше указанного правила, вызовет поступательное движение тела контейнера вперед, но, по криволинейной траектории, при этом поступательное движение тела будет энергетически оптимально, т.е, возникающая скорость перемещения контейнера будет максимальной, а соответствующие энергетические затраты — минимальными. Аналогией такого движения является движение крыла птицы вверх — возникает сила тяги вперед.